다양한 프로세서 종류 살펴보기 프로페셔널 가이드

가. CISC [ Complex Instruction Set Computer ]

CISC(Complex Instruction Set Computer)는 다양한 명령어로 구성된 복잡한 명령어 세트를 가진 CPU 또는 마이크로프로세서입니다. CISC 아키텍처는 RISC(Reduced Instruction Set Computer)와 대비되며, 각 명령어가 복잡하고 다양한 기능을 수행할 수 있습니다.

CISC의 특징은 다음과 같습니다:

1. 명령어의 다양성: CISC는 다양한 기능을 수행하는 복잡한 명령어 세트를 가지고 있습니다. 이는 한 번의 명령어로 많은 일을 처리할 수 있어서 코드의 밀도를 높일 수 있습니다.
2. 명령어의 가변 길이: 명령어의 길이가 가변적이며, 일반적으로 16~64비트의 범위를 가집니다. 이는 다양한 종류의 명령어를 지원할 수 있게 합니다.
3. 메모리 참조 연산: CISC 아키텍처는 메모리 참조 연산을 많이 수행합니다. 이는 다양한 데이터를 효율적으로 처리할 수 있는 장점을 제공합니다.
4. 마이크로프로그램 제어 방식: CISC는 마이크로프로그램 제어 방식을 사용하여 명령어를 실행합니다. 이는 명령어의 복잡성을 다루는 데에 융통성을 제공하지만, 제어 속도가 떨어질 수 있습니다.
5. 혼합형 아키텍처: 현재의 x86 CPU는 내부적으로 RISC로 동작하면서 CISC 명령을 에뮬레이션하는 형태를 취하고 있습니다. 이러한 혼합형 아키텍처는 CISC와 RISC의 장점을 결합하여 최적의 성능을 제공합니다.

CISC는 초기에는 많이 사용되었으나, 현재는 RISC와 혼합형 아키텍처가 주류를 이루고 있습니다. 그럼에도 불구하고 인텔의 x86 시리즈와 같은 CISC 아키텍처는 여전히 널리 사용되고 있습니다. CISC의 장점은 코드의 밀도가 높고 생산성과 호환성이 높다는 점입니다.

초기 컴퓨터의 발전 과정에서는 메모리의 가격이 높았고, 메모리의 속도도 현재와는 비교할 수 없을 만큼 느렸습니다. 따라서 프로그램의 크기를 작게 만들어 메모리를 적게 차지하는 것이 중요했습니다. 이러한 환경에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 명령어를 개발하여 프로그램의 크기를 최소화하고자 했습니다. 그 결과로 다양한 명령어가 개발되었고, 프로그램의 개발은 단순해졌지만, 이를 처리하기 위한 CPU의 내부 구조는 복잡해졌습니다. 명령어의 길이가 길어져 메모리로부터 명령을 인출하는 시간이 길어지고, 명령어를 해석하기 위한 제어장치의 구조가 복잡해지며, 이로 인해 명령을 해독하고 실행하는 데 걸리는 시간이 증가했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 프로세서 방식이 등장했습니다. RISC는 간단하고 일관된 명령어 세트를 사용하여 처리 속도를 향상시키고자 했습니다. 이를 통해 명령어를 해석하고 실행하는 데 필요한 시간을 줄이고, 더 빠른 처리 속도를 제공할 수 있었습니다. 따라서 RISC 프로세서 방식은 현대 컴퓨터 아키텍처의 기반이 되었으며, 많은 현대 프로세서가 RISC 아키텍처를 기반으로 설계되었습니다.

나. RISC [ Reduced Instruction Set Computer ]

RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 간단하고 일관된 명령어 세트를 사용하여 처리 속도를 향상시키고자 설계된 프로세서 아키텍처입니다. RISC의 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. 하드웨어 제어: RISC는 하드웨어에 의해 직접 명령어를 수행하므로 제어 속도가 빠릅니다. 이는 하드웨어 제어 방식을 채택함으로써 가능합니다.
2. 명령어 최적화: CPU 명령어 세트를 적절하게 재정렬하여 동일한 트랜지스터 수를 사용하면서도 더 높은 성능을 얻을 수 있습니다. 이는 명령어의 길이를 비교적 일정하게 정리하고 포맷을 일정 부분 다듬음으로써 가능합니다.
3. 메모리 접근: RISC는 메모리 대상으로 하는 연산을 load/store 명령어로 제한하고, 나머지 연산은 모두 레지스터를 사용합니다. 이를 통해 복잡성을 줄이고 명령어의 낭비를 줄일 수 있습니다.
4. 최소한의 명령어: RISC는 최소한의 명령어로 설계되었으며, CISC의 단점을 극복하기 위해 만들어졌습니다.
5. 고정 길이 명령어: 명령어의 길이가 고정되어 있으며, 대부분의 경우 32비트입니다. 또한, 적은 종류의 명령어를 사용하며, 종류는 100개 미만입니다.
6. ROM과 소프트웨어 처리: 중요한 명령어들은 ROM에 저장되어 하드웨어에서 직접 처리되지만, 나머지 명령어들은 소프트웨어적으로 처리됩니다.

RISC의 단점 중 하나는 pipelining을 위해 많은 캐시 메모리가 필요하다는 것입니다. 따라서 이로 인해 비용이 많이 발생할 수 있습니다.

RISC 프로세서 방식은 명령어의 사용 빈도를 분석하여 가장 빈번하게 사용되는 명령어를 중심으로 설계되었습니다. 이는 20%의 단순 명령어가 전체 업무의 80%를 차지하고 있는 파레토 법칙에 기반합니다. RISC 프로세서는 이러한 원칙을 바탕으로 복잡한 명령어를 단순한 명령어의 조합으로 처리할 수 있도록 설계되었습니다. 이를 통해 프로세서의 속도를 향상시킬 수 있었습니다. 또한, 사용 빈도가 낮은 명령어를 제거함으로써 명령어 집합을 단순화하여 복잡성을 줄였습니다. RISC 프로세서는 사용 빈도가 높은 명령어를 하드웨어적으로 제어하고 처리함으로써 명령어의 실행을 고속화시켰습니다. 이는 단순 명령어에 집중함으로써 명령어 해석과 실행에 필요한 시간을 최소화하여 처리 속도를 향상시키는 데에 도움이 되었습니다. 따라서 RISC 프로세서는 단순 명령어를 효율적으로 처리하여 성능을 최적화하는 방식으로 설계되었습니다.

다. 수퍼 스칼라 RISC

수퍼 스칼라 RISC는 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 구조를 기반으로 한 확장된 형태입니다. 이 구조는 명령어의 효율적인 처리를 위해 고안되었으며, 파이프라인 병렬 처리를 가능하게 합니다.

주요 특징은 다음과 같습니다:

1. RISC 아키텍처 기반: RISC의 기본 원리를 따르며, 단순하고 일관된 명령어 세트를 가집니다.
2. 파이프라인 병렬 처리: 명령어 실행 과정을 여러 단계로 분할하여 병렬로 처리합니다. 이를 통해 여러 명령어가 동시에 처리될 수 있어 처리 속도를 향상시킵니다.
3. 다중 실행 유닛: 여러 개의 실행 유닛을 가지고 있어 동시에 여러 명령어를 실행할 수 있습니다. 이는 병렬 처리를 더욱 효율적으로 수행할 수 있도록 합니다.
4. 명령어 발행: 여러 명령어를 동시에 발행하여 실행 유닛에 전달합니다. 이를 통해 명령어의 발행과 실행을 겹칠 수 있어 처리량을 높일 수 있습니다.
5. 명령어 스케줄링: 실행 유닛이 사용 가능한 상태인지 확인하고, 그에 맞게 명령어를 조정하여 최대한 효율적으로 처리합니다.

수퍼 스칼라 RISC는 이러한 기술들을 결합하여 고성능을 제공하며, 현대 프로세서에서 널리 사용되고 있습니다.

라. VLIW [ Very Long Instruction Word ]

VLIW(Very Long Instruction Word)는 매우 긴 명령어 워드를 사용하는 컴퓨터 아키텍처입니다. 이 아키텍처에서는 하나의 명령어가 여러 개의 하위 명령어를 포함하고 있으며, 이들은 병렬로 실행됩니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. 수평 마이크로 명령 형식: VLIW는 수평 마이크로 명령 형식을 사용합니다. 즉, 각 비트가 하나의 명령을 나타냅니다. 따라서 명령어의 해독이 필요 없으며, 명령어를 직접 실행 유닛에 전달합니다.
2. 매우 긴 명령어 길이: 하나의 명령어는 수백 비트(일반적으로 128~512비트)로 매우 큽니다. 이렇게 큰 명령어는 여러 개의 하위 명령어를 포함하고 있어 병렬 실행을 위한 정보를 모두 포함할 수 있습니다.
3. 명령어 병렬성: 하나의 명령어에 여러 개의 하위 명령어가 포함되어 있으므로, 이들을 병렬로 실행할 수 있습니다. 이를 통해 다수의 실행 유닛을 동시에 활용하여 처리량을 향상시킬 수 있습니다.
4. 컴파일러의 역할: VLIW 아키텍처에서는 컴파일러가 명령어를 생성할 때 명령어들을 어떻게 배치할지 결정합니다. 따라서 효율적인 명령어 스케줄링이 중요하며, 이는 실행 유닛의 활용도에 큰 영향을 미칩니다.

초기 컴퓨터의 발전 단계에서는 메모리의 가격이 높고 속도가 느려서 프로그램의 크기를 작게 만들어 메모리를 적게 차지하는 것이 중요했습니다. 이러한 환경에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 명령어가 개발되었고, 이로 인해 프로그램의 개발은 단순해지지만, 이를 처리하기 위한 CPU의 내부 구조는 복잡해졌습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 RISC 프로세서 방식이 등장했습니다. RISC는 간단하고 일관된 명령어 세트를 사용하여 처리 속도를 향상시키고자 했습니다. 이를 통해 명령어를 해석하고 실행하는 데 필요한 시간을 줄이고, 더 빠른 처리 속도를 제공할 수 있었습니다.

RISC 프로세서는 명령어의 길이를 줄이고, 단순화함으로써 명령어의 해석과 실행에 필요한 시간을 최소화했습니다. 이로 인해 메모리로부터 명령을 인출하는 시간이 감소하고, 명령어를 해석하기 위한 제어장치의 구조가 간단해졌습니다. 이러한 변화는 CPU의 처리 속도를 향상시키는 데 중요한 역할을 했습니다.

결국, RISC 프로세서는 현대 컴퓨터 아키텍처의 기반이 되었으며, 많은 현대 프로세서가 RISC 아키텍처를 기반으로 설계되었습니다. 이를 통해 더 높은 성능과 효율성을 달성할 수 있었습니다.

 

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