명령어 집합을 짜는 두 갈래다. 단순한 명령 몇 가지만 두고 모양을 똑같이 맞추는 쪽이 RISC(reduced instruction set computer)이고, 한 명령이 여러 일을 하게 하고 모양도 제각각 두는 쪽이 CISC(complex instruction set computer)다. MIPS가 RISC, 어셈블리어 과목의 x86이 CISC다1. 가르는 질문은 “계산하는 명령이 메모리를 직접 만질 수 있는가”와 “명령의 길이가 모두 같은가”다.

같은 일을 두 기계로 적으면 차이가 보인다. 메모리의 변수 A와 C를 더해 레지스터에 둔다.

; x86 (어셈블리어 과목)                 # MIPS (이 과목). $s3에 A의 주소가 있다
mov eax,A        ; A1 00000000          lw  $t0, 0($s3)      # 0x8E680000
add eax,C        ; 03 05 00000008       lw  $t1, 8($s3)      # 0x8E690008
                                        add $t2, $t0, $t1    # 0x01095020

x86은 두 줄이다. add가 메모리의 C를 직접 읽어 더한다. 기계어는 5바이트와 6바이트로 길이가 다르다2. MIPS는 세 줄이다. add는 레지스터끼리만 더하므로 C를 먼저 lw로 꺼내 와야 한다. 대신 세 줄 모두 정확히 4바이트다. 합치면 x86이 11바이트, MIPS가 12바이트다.

검증: MIPS 세 줄의 기계어 값과 길이(4바이트씩 12바이트), x86 두 줄의 바이트 수(5 + 6 = 11), 두 기계가 같은 합을 내는 것(무작위 1,000회), loop를 MIPS 두 줄로 옮긴 결과 — 13_risc-vs-cisc_verify.py. 실제 하드웨어가 아니라 파이썬 흉내로 확인했다.

어느 쪽일까

C1 (a) 모든 명령이 32비트이고, 메모리는 “꺼내 오기”와 “넣어 두기” 두 명령으로만 만진다. (b) add eax,var2처럼 더하기 명령이 메모리의 값을 바로 읽고, 명령마다 바이트 수가 다르다. 어느 쪽인가?

답: (a) RISC. (b) CISC.
이유: (a)는 계산 명령과 메모리 명령이 나뉘어 있고 길이가 같다. (b)는 한 명령이 “메모리 읽기 + 더하기”를 한꺼번에 하고 길이가 제각각이다. 길이만 보고 가르면 안 된다. 계산 명령이 메모리를 만지는지가 더 깊은 차이다.

C2 (c) loop L1 한 줄이 ECX를 1 줄이고, 0이 아니면 L1로 간다. (d) 같은 일을 addi $t0, $t0, -1과 bne $t0, $zero, L1 두 줄로 한다. (e) 견준 결과를 플래그라는 숨은 칸에 남기고 다음 명령이 그것을 읽는다. (f) 견준 결과를 보통 레지스터에 0이나 1로 받는다. 각각 어느 쪽인가?

답: (c) CISC, (d) RISC, (e) CISC(x86), (f) RISC(MIPS의 slt).
이유: (c)는 명령 하나가 “빼기 + 견주기 + 건너뛰기” 세 일을 하고, ECX라는 정해진 레지스터를 몰래 쓴다. (d)는 한 줄이 한 일만 하고 쓰는 레지스터가 모두 명령에 적혀 있다. (e)와 (f)는 엄밀히는 RISC·CISC를 가르는 기준이 아니라 x86과 MIPS의 차이다. 플래그를 쓰는 RISC도 있다3.

결정적 차이

  RISC (MIPS) CISC (x86)
명령의 길이 모두 32비트 제각각. 예시의 두 줄이 5바이트와 6바이트
계산 명령이 메모리를 만지는가 아니다. lw·sw만 메모리에 닿는다4 그렇다. add eax,var2
한 명령이 하는 일 하나 여럿일 수 있다. loop, call(주소를 스택에 넣고 건너뛴다)
레지스터 수 32개5 범용 8개 (32비트 x86)
재료를 적는 꼴 재료 둘, 결과 하나: add $t2, $t0, $t1 재료 하나가 결과 자리를 겸한다: add eax,ebx
같은 일에 드는 명령 수 많다 적다
명령을 읽어 푸는 회로 단순하다. 정해진 자리의 비트를 자르면 된다 복잡하다. 앞 바이트를 읽어야 길이를 안다

선택을 바꾸는 줄은 위의 두 줄이다. 길이가 같고 메모리에 닿는 명령이 따로 있으면 모든 명령이 같은 순서의 단계를 밟는다. 그러면 여러 명령을 겹쳐서 처리하는 5단계 파이프라인을 짜기 쉽다3. 반대로 CISC는 프로그램이 짧아진다. 예시에서는 고작 1바이트 차이지만 명령 수는 2줄 대 3줄이다.

“명령 수가 적으니 CISC가 빠르다”는 틀린 결론이다. 실행 시간은 명령 수에 명령 하나당 드는 클록 수와 클록 주기를 곱한 값이다. 명령 수가 줄어도 뒤의 둘이 늘면 느려진다: CPU 시간 식.

MIPS의 설계 원칙으로 읽으면 RISC는 “자주 생기는 일을 빠르게”를 고른 것이다. 자주 쓰는 단순한 명령만 두고, 드물게 쓰는 복잡한 일은 단순한 명령 여러 개로 한다1.

둘 다 아닐 때

C3 “x86은 CISC이니 안쪽 회로도 복잡한 명령을 통째로 실행한다”는 말이 왜 틀릴 수 있는가? RISC·CISC라는 이름표가 가리키는 것이 무엇인지로 답하라.

답: RISC·CISC는 프로그램에 보이는 약속(명령어 집합)에 붙는 이름표다. 안쪽 회로를 어떻게 만드는지는 따로다. 요즘 x86 프로세서는 복잡한 명령을 안에서 단순한 작은 동작 여러 개로 쪼갠 뒤, 그 작은 동작들을 RISC 프로세서처럼 처리한다6.
이유: 명령어 집합 구조는 약속이고 구현은 그 아래 층이다. 그래서 “겉은 CISC, 속은 RISC에 가까운” 프로세서가 있을 수 있다. 이 경우 두 이름표 중 하나만 고르는 것이 맞지 않다.

  1. Harris & Harris, Digital Design and Computer Architecture 2판 6장 강의 슬라이드, https://www.esa.informatik.tu-darmstadt.de/archive/twiki/pub/Lectures/Prozessorarchitektur16De/DDCA_Ch6.pdf, 슬라이드 11 (MIPS는 단순한 명령 몇 개만 둔 RISC, 인텔 x86은 CISC. 덜 쓰는 복잡한 명령은 단순한 명령 여러 개로 한다) ↩ ↩2

  2. x86 두 줄과 기계어는 어셈블리어와 기계어의 예(mov eax,A는 A1 00000000, add eax,C는 03 05 00000008)를 가져왔다. add eax,var2 꼴은 덧셈·뺄셈 명령, loop는 JMP와 LOOP에 있다. ↩

  3. MIPS 세 줄과 그 기계어 값, 바이트 수 비교, 카드의 예, 표의 “재료를 적는 꼴”·”회로” 줄, 파이프라인과의 관계, 플래그를 쓰는 RISC가 있다는 말(ARM이 그렇다)은 위 자료에 그대로 있지 않다. MIPS 값은 검증 코드의 인코더로 구했다. 길이가 같으면 파이프라인을 짜기 쉽다는 설명은 Patterson & Hennessy, 같은 책, 4장 “The Processor”의 내용이다. ↩ ↩2

  4. KFUPM ICS 233 (A. R. Naseer), Lecture 4 “MIPS Processor Instruction Set”, https://faculty.kfupm.edu.sa/coe/arnaseer/ICS233_Lecture4%20Slides.pdf, 슬라이드 4~5 (RISC 설계: 명령 종류가 적다, 산술이 단순하다, 레지스터가 넉넉하다. MIPS는 적재-저장 구조라 load와 store만 메모리에 닿는다) ↩

  5. University of Utah CS3810 (R. Balasubramonian), Lecture 3 “MIPS Instruction Set”, https://users.cs.utah.edu/~rajeev/cs3810/slides/3810-15-03.pdf, 슬라이드 10 (MIPS는 레지스터 32개, x86은 8개) ↩

  6. Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design (MIPS Edition). x86 명령을 안에서 마이크로 연산(micro-operation)으로 바꿔 처리한다는 설명이다. 책을 직접 보지 못해 장을 적지 않는다 [확인필요]. ↩