[컴퓨터구조] CPU 설계 방식을 알아보자.

 

명령어로 할 수 있는 연산, 주소 지정 방식 등은 CPU마다 조금씩 차이가 있다.

똑같은 코드로 만든 프로그램임에도 CPU가 이해하고 실행할 수 있는 명령어가 달라 어셈블리어도 다를 수 있다.

 

명령어 집합 설계 (Instruction Set Architecture, ISA)

명령어 집합이란 CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음을 말한다.

실행 파일은 명령어로 이루어져 있고 서로의 컴퓨터가 이해할 수 있는 명령어가 다르기 때문에 CPU마다 ISA가 다를 수 있다.

ISA는 명령어 병렬 처리 기법들을 도입하기 유리하다.

 

1. CSIC: 복잡하고 다양한 명령어들을 활용하는 CPU 설계 방식

• 다양하고 강력한 기능의 명령어 집합을 활용하기 때문에 명령어의 형태와 크기가 다양한 가변 길이 명령어를 활용한다.
• 다양하고 강력한 명령어를 활용한다는 말은 상대적으로 적은 수의 명령어로도 프로그램을 실행할 수 있다는 것을 의미한다.
• 장점
  • 적은 수의 명령으로 프로그램을 동작시켜 메모리를 절약할 수 있다.
• 단점
  • 명령어의 크기와 실행되기까지의 시간이 일정하지 않으며 명령어 하나를 실행하는 데에 여러 클럭 주기를 필요로 한다.
  • 명령어의 규격화가 어려워 파이프라이닝이 어렵다.

 

2. RISC: 단순하고 짧은 명령어들을 활용하는 CPU 설계 방식

• 명령어가 규격화되어 있고, 하나의 명령어가 1클럭 내외로 실행되는 고정 길이 명령어 사용한다.
• 메모리 접근을 단순화, 최소화하는 대신 레지스터를 적극적으로 활용한다.
• 장점
  • 설계가 단순하고 전력 소모가 낮다.
• 단점
  • 사용 가능한 명령어 개수가 CISC보다 적기 때문에 RISC는 CISC보다 많은 명령으로 프로그램을 작동시킨다.

 

CISC와 RISC의 명령어 길이, 파이프라이닝 비교

 

 

3. EISC: RISC와 CISC 방식의 특징을 조합하여 확장 가능성과 효율성을 강조하는 CPU 설계 방식

• EISC는 소형 임베디드 시스템이나 특화된 응용 프로그램에서 주로 사용되며, 범용적인 컴퓨터 아키텍처와는 약간 다른 설계 목표를 가지고 있다.
• 기존 RISC 철학의 단순성과 효율성을 유지하면서도, 필요에 따라 명령어 집합을 쉽게 확장하거나 변경할 수 있다.
• RISC처럼 단순하고 효율적인 기본 명령어 집합을 제공한다.
• 사용자가 애플리케이션 요구 사항에 맞게 명령어 집합을 확장하거나 수정할 수 있다.
• 장점
  
  • 기본 설계가 단순하여 전력 소비와 비용 절감에 유리하다.
  • 특정 응용에 맞게 명령어를 추가하거나 최적화할 수 있다.
  • 특정 작업에 맞는 최적화된 명령어를 설계할 수 있어 성능 향상이 가능하다.
• 단점
  • 특정 애플리케이션에 특화되어 있어 범용성이 부족해 범용 컴퓨팅에는 적합하지 않을 수 있다.
  • 명령어 확장이 자유로워 표준화가 어렵다.
  • 명령어 확장으로 인해 소프트웨어 설계 및 유지보수가 복잡해질 수 있다.

 

 

CISC	RISC	EISC
복잡하고 다양한 명령어	단순하고 적은 명령어	단순하고 적은 명령어
가변 길이 명령어	고정 길이 명령어	확장이 가능한 명령어
다양한 주소 지정 방식	적은 주소 지정 방식	적은 주소 지정 방식
프로그램을 이루는 명령어의 수가 적음	프로그램을 이루는 명령어의 수가 많음	프로그램을 이루는 명령어의 수가 적음
여러 클럭에 걸쳐 명령어 수행	1 클럭 내외로 명령어 수행	1 클럭 내외로 명령어 수행
파이프 라이닝 하기 어려움	파이프 라이닝 하기 쉬움	파이프 라이닝 하기 쉬움