[컴퓨터 구조 ] ISA - CISC vs. RISC

ISA (Instruction Set Architecture)

• 소프트웨어(시스템)와 하드웨어 사이의 약속
• 하드웨어가 high-level language를 이해하게 하려면 어셈블러 (high-level language → assembly language ) → 컴파일러(assembly language → machine language)를 거쳐 low-level language 로 번역되어야함.
• 이렇게 low-level language로 번역된 후에는 하드웨어에게 명령을 내려주어야함. 이때 sw 와 hw 사이를 연결해주는 것이 ISA 임.

 

 

• 즉, ISA는 소프트웨어와 하드웨어가 서로 통신할 수 있게 해주는 명령어 집합 이자 인터페이스
• ISA 아래에 있는 micro architecture는 micro processor가 사용하는 명령어 처리 방식.
• micro processor 는 우리가 아는 CPU라고 생각하면 됨.
• CPU Arichitecure의 종류로는 CISC 와 RISC가 있음

ISA 명령어 종류

• 산술 논리 명령어
• 데이터 전송 명령어
• 실행 흐름 제어
• 부동 소수점 연산 명령

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CISC (Complex Instruction Set Computer)

• 과거에는 컴퓨터 메모리 용량이 크지 않아서 SW 프로그램의 용량을 줄이기 위해 하나의 명령어로 여러 작업을 수행하도록 했기 때문에 CISC 사용
• 이 말이 이해가 되지 않는다면
  • 컴퓨터에서 CPU는 연산을 담당하지만, 연산할 데이터는 메모리(RAM)에 저장되어 있음.
  • CPU가 연산을 하려면 데이터를 메모리에서 가져와야 함
  • 그런데 과거 컴퓨터는 메모리 속도가 매우 느렸음.
  • 그래서 메모리에 자주 접근하면 연산 속도가 크게 저하됨.
  👉 해결책: 한 번의 명령어로 여러 작업을 수행하면, 메모리 접근 횟수를 줄일 수 있음!
• 특징
  • 명령어 개수가 많음
  • 프로그램을 만들 때 적은 명령어로 구현 가능 → 하나의 명령어가 여러 개의 연산을 수행하는 구조 → CISC 명령어는 여러 개의 저수준 연산을 한꺼번에 포함하는 복합적인 명령어
• 장점
  • 복합적이고 기능이 많음 → 하위 호환성이 좋음
  • 호환성이 절대적으로 필요한 PC환경에 사용
• 단점
  • 트랜지스터 집적에 있어서 효율성이 떨어짐(성능 향상에 난점)
  • 전력 소모가 큼. 속도가 느리고 가격이 비쌈
  • 다양한 명령어를 사용하기 때문에 컴파일러가 복잡함
  • 회로 구성이 복잡함
• 용도
  • 다양한 명령어들을 포함하고 있기에 우리가 사용하는 CPU(pentium…)로 사용됨.

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RISC(Reduced Instruction Set)

• CISC 내부에 갖춰진 모든 명령어들 중 불과 20%에 해당하는 명령어들만 전체 80% 이상의 일을 처리
• 굳이 CISC와 같이 필요한 명령어 셋을 다 갖고 있는 것은 비효율적 따라서 등장한 개념이 RISC 임.
• 특징
  • 고정적인 명령어 길이
  • 워드, 데이터 버스 크기가 동일하고 실행 사이클도 모두 동일
  • 프로그램을 구성할 때 상대적으로 많은 명령어가 필요
  • 파이프 라이닝을 사용함
  • 적은 명령어 세트
  • 간단한 명령어로 빠른 실행속도
  • 회로 구성이 단순함
  • 명령어 개수가 적어서 컴파일러가 단순하게 구현됨
  • 전력 소모가 적음. 속도가 빠르고 가격이 저렴장점
  • 사용 빈도가 높은 적은 명령어들로 구성된 프로세서 → 따라서 CISC보다 더 빠른 속도로 동작할 수 있고, 단순하고, 전력소모가 적고, 가격도 저렴
• 단점
  • 하드웨어가 간단한 대신 소프트웨어가 크고 복잡
  • 하휘 호환성 부족
  • 하드웨어가 간단한 대신 소프트웨어는 복잡하고 크기가 커짐(컴파일러의 최적화가 요구됨)
  • 하위 호환을 위해 에뮬레이션 방식을 채택. 호환성 부족
• 용도
  • RISC 구조는 파이프라인 중첩이 가능해서 같은 수의 명령어에 대해 적은 clock으로 처리가 가능하며, 발열과 전력 소모도 줄일 수 있음. 따라서 임베디드 프로세서에서는 RISC 구조 사용.

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CISC vs RISC 비교 (메모리 로드 & 연산)

• CISC 방식 (예: x86 CPU)
  • ADD A, B 한 줄만 실행하면 메모리에서 A와 B를 읽고, 더하고, 결과를 저장함
  • 즉, "메모리 로드 → 연산 → 저장"이 한 번에 수행됨

ADD A, B ; A = A + B (메모리에서 직접 가져와 더함)

• RISC 방식 (예: ARM CPU)
  • RISC에서는 로드, 연산, 저장을 따로따로 실행해야 함.

LOAD R1, A ; 레지스터 R1에 A를 로드 
LOAD R2, B ; 레지스터 R2에 B를 로드 
ADD R3, R1, R2 ; 
R3 = R1 + R2 (연산만 수행) 
STORE A, R3 ; 결과를 다시 A에 저장

 

즉, CISC는 하나의 명령어(ADD A, B)가 여러 작업(메모리 로드 + 연산 + 저장)을 포함하지만, RISC는 각각을 따로 수행.

 

 

 

Reference

[컴퓨터구조] ISA - CISC vs. RISC

 

x86(CISC) VS ARM(RISC)