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축소 명령어 집합의 탄생

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By Je Hun Lim 10 min read

컴퓨터 구조

컴퓨터 구조를 공부하면서 알게된 내용을 요약해서 작성해보자.

시간이 흐르고 변화

  • 기술이 발전하면서 메모리 용량 대비 가격이 급격히 떨어졌다. 이것이 첫 번째 흐름의 변화다.
  • 컴파일러가 점점 발전하여 컴파일러에 의존하여 어셈블리어 명령어를 자동으로 생성했기에 직접 어셈블리어로 코드를 작성하는 방식은 더 이상 의미가 없어졌다. 이것이 두 번째 흐름의 변화다.

복잡함을 단순함으로

  • 19세기 말 ~ 20세기 초, 빌프레도 파레토는 80-20 법칙을 발견했다.
    • 파레토 법칙: 전체 결과의 80%가 전체 원인의 20%에서 일어난다.
  • 기계 명령어 실행 빈도에도 비슷한 규칙이 있다.
  • CPU는 약 80% 시간 동안 명령어 집합의 기계 명령어 중 20%를 실행한다.
  • 복잡 명령어 집합에서 비교적 복잡한 명령어 중 일부는 자주 사용되지 않으며, 컴파일러를 설계하는 프로그래머는 고급 언어를 더 간단한 기계 명령어의 조합으로 변환하는 경향이 있다.
  • 복잡 명령어 집합에서 성능을 향상시키는 것으로 여겨지는 명령어는 실제로 CPU 내부에서 마이크로코드에 의해 가로막힌다. 마이크로코드를 제거하면 오히려 프로그램이 더 빠르게 실행되고, CPU를 구성하는 데 사용되는 트랜지스터를 절약할 수 있다.

축소 명령어 집합의 철학

  • 복잡 명령어 집합에 대한 반성을 바탕으로 축소 명령어 집합의 철학이 탄생했다.
  • 다음 세 가지 측면에 주로 반영되었다.
    • 명령어 자체의 복잡성
    • 컴파일러
    • LOAD/STORE 구조
  • 명령어 자체의 복잡성
    • 복잡한 명령어를 제거하고 간단한 명령어 여러 개로 대체한다.
    • 이 사상으로 CPU 내부 마이크로코드 설계가 필요하지 않다.
    • 마이크로 코드가 없으면 컴파일러에서 생성된 기계 명령어의 CPU 제어 능력이 크게 향상된다.
    • 명령어 집합을 줄인다는 것은 명령어 집합의 명령어 개수가 줄어든다는 의미가 아니고, 하나의 명령어당 들여야 하는 연산이 더 간단하다는 의미다.
  • 컴파일러
    • 컴파일러가 CPU에 대해 더 강력한 제어권을 갖는다.
    • 축소 명령어 집합을 사용하는 CPU는 더 많은 세부 사항을 컴파일러에 제공한다.
    • 축소 명령어 집합은 흥미로운 작업을 컴파일러에 넘기기라는 이름으로 부르기도 한다.
  • LOAD/STORE 구조
    • 축소 명령어 집합의 명령어는 레지스터 내 데이터만 처리할 수 있다.
    • 메모리 내 데이터는 직접 처리할 수 없다.
    • LOAD와 STORE라는 전용 기계 명령어가 메모리의 읽고 쓰기를 책임진다.
    • 다른 명령어들은 CPU 내부의 레지스터만 처리할 수 있으며, 메모리를 읽거나 쓸 수 없다.

복잡 명령어 집합과 축소 명령어 집합의 차이

  • 두 숫자가 메모리 주소 A와 B에 저장된다. 이 두 숫자를 곱한 값을 계산한 후 계산 결과를 다시 메모리 주소 A에 기록하는 과정을 어떻게 구현되는지 알아보자.
  • 복잡 명령어 집합의 경우
    • 복잡 명령어 집합의 사상은 가능하면 적은 수의 기계 명령어로 가능한 많은 작업을 수행하는 것이다.
      1. 메모리 주소 A의 데이터를 읽어 레지스터에 저장한다.
      1. 메모리 주소 B의 데이터를 읽어 레지스터에 저장한다.
      1. ALU(산술 연산 장치)가 레지스터 값을 이용하여 곱셈 연산을 수행한다.
      1. 곱셈 결과를 다시 메모리에 저장한다.
    • 명령어: MULT A B
    • MULT 명령어 하나에는 메모리 읽기, 두 숫자 곱하기, 결과를 다시 메모리에 쓰는 작업이 포함되어 있다.
    • 복잡한 명령어의 의미는 명령어 자체가 복잡한 것이 아니라 연산이 복잡하다는 의미다.
    • 고급 언어와 매우 유사하다. 메모리 주소 A의 값을 a 변수로 가정하고 메모리 주소 B의 값을 b 변수로 가정하면 고급 언어에서 다음과 같이 작성한 코드와 기본적으로 동일하다. a = a * b;
    • 이런 설계는 고급 언어와 기계 명령어 사이의 차이를 줄인다.
    • 최소한의 코드로 작업을 완료하고 프로그램 자체가 차지하는 저장 공간을 절약하려는 목적이 있다.
  • 축소 명령어 집합의 경우
    • 일련의 간단한 명령어를 여러 개 사용하여 작업을 완료하는 것을 선호한다.
      1. 메모리 주소 A의 데이터를 읽어 레지스터에 저장한다.
      1. 메모리 주소 B의 데이터를 읽어 레지스터에 저장한다.
      1. ALU(산술 연산 장치)가 레지스터 값을 이용하여 곱셈 연산을 수행한다.
      1. 곱셈 결과를 다시 메모리에 저장한다.
    • 명령어: LOAD, PROD, STORE
    • LOAD 명령어는 메모리에서 레지스터로 데이터를 적재한다.
    • PROD 명령어는 두 레지스터에 저장된 숫자의 곱셈 연산을 수행한다.
    • STORE 명령어는 레지스터의 데이터를 다시 메모리에 쓴다.
  • 복잡 명령어 집합을 사용할 경우 기계 명령어 하나가 필요한 반면에, 축소 명령어 집합을 사용하는 프로그램은 기계 명령어 네 개가 필요하다.
  • 축소 명령어 집합 설계의 원래 의도는 프로그래머가 직접 어셈블리어로 코드를 작성하는 것이 아니라, 이 작업을 컴파일러에 맡기고 컴파일러가 구체적인 기계 명령어를 자동으로 생성하게 하는 것이다.

명령어 파이프라인

  • 파이프라인 기술은 기계 명령어 하나가 실행되는 시간을 단축해 주지는 않지만 처리량을 늘릴 수 있다.
  • 축소 명령어 집합은 모든 명령어의 실행 시간을 대체적으로 동일하게 하여 파이프라인이 더 높은 효율로 기계 명령어들을 처리할 수 있도록 한다. 이것이 축소 명령어 집합에 LOAD와 STORE라는 두 메모리 관련 전용 명령어가 있는 이유다.

축소 명령어 집합의 기회

  • 축소 명령어 집합으로 설계된 CPU가 성능 면에서 기존 모든 전통적인 설계를 가볍게 진압했다.
  • CPU 제조업체는 축소 명령어 집합을 따르고, 설계 사상을 적극 채택했다.
ComputerScience, 컴퓨터구조
cs computer science architecture