RISC-V란 무엇인가

ISA: 하드웨어와 소프트웨어 사이의 계약

C로 a = b + c;라고 쓰면 컴파일러가 이것을 CPU가 아는 명령으로 바꾼다. RISC-V라면 add a0, a1, a2라는 한 줄이 되고, 이 한 줄은 다시 0x00c58533이라는 32비트 숫자가 된다. 이 숫자를 받아 “a1과 a2를 더해 a0에 넣어라”로 해석하기로 한 약속, 그것이 ISA(Instruction Set Architecture)다.

ISA가 중요한 이유는 위아래를 갈라놓는 경계선이기 때문이다. 위쪽의 컴파일러·운영체제·응용 프로그램은 ISA만 믿고 만들어진다. 아래쪽의 칩 설계자는 ISA가 약속한 동작만 지키면 그 안을 어떻게 만들든 자유다. 손톱만 한 마이크로컨트롤러와 수십 코어짜리 서버 칩이 같은 바이너리를 실행할 수 있는 것은 이 경계선 덕분이다.

ISA가 정하는 것과 정하지 않는 것을 나눠 보면 경계가 더 분명해진다.

버클리에서 태어난 다섯 번째 RISC

RISC-V는 2010년 여름 UC 버클리의 Krste Asanović 교수 연구실에서 Yunsup Lee, Andrew Waterman과 함께 시작한 “방학 동안의 작은 프로젝트”였다. 연구와 수업에 쓸 깨끗한 ISA가 필요했는데, 기존 상용 ISA는 라이선스가 까다롭고 수십 년 묵은 호환성 짐이 무거웠다. 그래서 새로 만들기로 했다. 버클리가 1980년대부터 만든 RISC 계열(RISC-I, RISC-II, SOAR, SPUR)의 다섯 번째라서 이름에 로마 숫자 V가 붙었다. RISC라는 말을 처음 만든 David Patterson 교수도 프로젝트에 합류했다.

RISC-V가 연구실 밖으로 나간 결정적인 계기는 표준화 기구였다. 2015년 RISC-V 재단이 만들어지면서 ISA는 특정 대학이나 회사가 아니라 회원사들의 합의로 관리되기 시작했다. 2020년에는 특정 국가의 수출 규제에 휘둘리지 않도록 본부를 스위스로 옮기고 이름을 RISC-V International로 바꿨다. 지금은 수천 개 회원사가 기술 위원회(Technical Steering Committee)와 수많은 작업 그룹(Task Group)에서 새 확장을 설계하고, 공개 검토를 거쳐 비준(ratification)한다.

비준까지의 길

새 확장은 아이디어부터 비준까지 여러 관문을 지난다. 작업 그룹이 초안을 쓰고, 기술 위원회의 검토를 받고, 누구나 의견을 낼 수 있는 공개 검토 기간(보통 30일 이상)을 거친 뒤 비준 투표를 한다. 그 사이에 시뮬레이터(Spike 등)와 컴파일러 지원, 아키텍처 테스트가 함께 준비되어야 한다는 점이 특징이다. 문서만이 아니라 “실제로 돌아가는” 증거가 있어야 비준된다.

“열린 ISA”는 무엇이 열려 있나

RISC-V를 처음 접하면 흔히 “오픈 소스 CPU”라고 부르지만, 정확히 말하면 열려 있는 것은 규격(약속표)이다. 규격 문서는 크리에이티브 커먼즈 라이선스로 공개되어 있고, RISC-V를 구현하는 데 로열티나 라이선스 계약이 필요 없다. 그 규격을 따르는 CPU 설계(RTL)를 공개할지 말지는 만드는 사람 마음이다.

설계 원칙: 작게, 깔끔하게, 늘릴 수 있게

규격의 서문은 RISC-V의 목표를 여러 가지로 적고 있다. 그중 이 책 전체에 걸쳐 반복해서 보게 될 원칙을 여섯 가지로 추리면 다음과 같다.

규격 문서 지도

RISC-V의 “규격”은 한 권의 책이 아니라 여러 문서의 묶음이다. 공식 규격 라이브러리(docs.riscv.org)에는 30개 가까운 비준 규격이 있다. 크게 네 무리로 나뉜다.

1. ISA 매뉴얼 1권: 비특권 규격 — 사용자 프로그램이 보는 명령어 전부. 베이스 ISA와 M·A·F·D·C·B·V 등의 확장, 메모리 모델.
2. ISA 매뉴얼 2권: 특권 규격 — 운영체제와 펌웨어가 보는 것. 특권 모드, CSR, 트랩, 가상 메모리, PMP, 하이퍼바이저.
3. 프로파일 — 소프트웨어 생태계가 기대할 수 있는 확장의 조합. RVA23 같은 이름 하나로 수십 개 확장을 묶는다.
4. ISA 밖의 규격 — 인터럽트 컨트롤러(AIA, PLIC), IOMMU, 디버그·트레이스, SBI(펌웨어 호출 규약), ABI(호출 규약), 부팅 서비스 등.

규격의 기본 용어: 하트, 실행 환경, 트랩

규격을 펴면 처음부터 낯선 단어가 나온다. 이 책 전체에서 계속 쓰이니 여기서 정리해 두자.

코어와 하트

하트(hart, hardware thread)는 명령어를 스스로 가져와 실행하는 하나의 흐름이다. 자기만의 pc와 레지스터를 가진다. 한 코어가 동시 멀티스레딩(SMT)으로 여러 하트를 품을 수도 있다. 규격은 “코어”나 “CPU”보다 하트라는 말을 쓴다. 규격이 정하는 것은 하트가 보는 세계이고, 그 하트가 물리적으로 어떻게 만들어졌는지는 관심 밖이기 때문이다.

실행 환경 인터페이스(EEI)

하트 혼자서는 프로그램을 끝까지 돌릴 수 없다. 처음에 pc가 어디서 시작하는지, ecall을 하면 누가 받아 주는지, 메모리 어디가 쓸 수 있는 곳인지 정해 주는 바깥 세계가 필요하다. 규격은 이것을 실행 환경 인터페이스(EEI)라 부르고, 같은 RISC-V 프로그램이 전혀 다른 환경 위에서 돌 수 있다고 설명한다.

예외, 인터럽트, 트랩

세 단어는 헷갈리기 쉽지만 규격은 엄밀하게 구별한다. 18장에서 자세히 다루기 전에 정의만 짚어 두자.

규격은 트랩을 바깥에서 보이는 효과에 따라 네 종류로도 나눈다. Contained(같은 환경 안에서 처리됨, 예: 사용자 모드의 페이지 폴트를 OS가 처리), Requested(프로그램이 일부러 요청, 예: 시스템 호출), Invisible(처리된 줄도 모르게 투명하게 처리, 예: 지원 안 되는 명령을 에뮬레이션), Fatal(실행 환경이 프로그램을 끝냄)이다.

규격 특유의 표현

첫 RISC-V 프로그램 돌려 보기

백문이 불여일견이다. 아래는 1부터 10까지 더하는 RV32I 프로그램이다. 아직 명령어를 몰라도 괜찮다. 한 명령 버튼을 누르며 pc가 한 칸씩 내려가다 ble에서 위로 되돌아가는 모습, 그리고 레지스터 값이 바뀌는 모습(금색)만 눈으로 따라가 보자. 5장에서 같은 에뮬레이터로 직접 프로그램을 작성하게 된다.

이 책의 구성

이 책은 규격 문서의 순서를 따르되, 처음 읽는 사람이 막히지 않도록 순서를 조금 바꿨다.

확인 퀴즈

더 읽을거리

• The RISC-V Instruction Set Manual, Volume I: Unprivileged Architecture — Introduction (v20260120)
• Volume II: Privileged Architecture — Introduction (v20260120)
• RISC-V Ratified Specifications 라이브러리
• Andrew Waterman, “Design of the RISC-V Instruction Set Architecture”, UC Berkeley 박사 논문 (2016) — 설계 결정의 이유가 가장 자세히 정리된 문헌
• David Patterson, Andrew Waterman, The RISC-V Reader: An Open Architecture Atlas (2017)