CPUID

1. 개요

CPUID는 CPU의 제조사, 모델, 기능 등을 식별하는 데 사용되는 명령어이다. x86 아키텍처에서 CPUID 명령어가 처음 도입되기 전에는, 프로그래머들이 CPU의 미세한 동작 차이를 이용하여 CPU를 식별하는 난해한 코드를 작성해야 했다. x86 외의 아키텍처, 예를 들어 ARM, MIPS, PowerPC 등에서는 CPUID와 유사한 정보를 얻기 위해 다른 방식의 레지스터를 사용한다. CPUID 명령은 어셈블리어에서 EAX 레지스터를 통해 매개변수를 전달받으며, 고급 언어에서도 래퍼 함수나 인라인 어셈블리를 통해 접근할 수 있다.

2. 역사

`CPUID` 명령어가 널리 사용되기 전에는 프로그래머들이 프로세서 제조사와 모델을 파악하기 위해 CPU 동작의 미세한 차이를 이용하는 복잡한 기계어 코드를 작성해야 했다. 80386 프로세서부터는 EDX 레지스터를 통해 리비전을 확인할 수 있었지만, 이는 재부팅 후에만 가능했고 응용 프로그램에서 이 값을 읽을 수 있는 표준적인 방법은 없었다. x86 계열 외의 아키텍처에서는 개발자들이 CPU 설계 차이를 파악하기 위해 명령어 타이밍이나 CPU 오류 발생과 관련된 복잡한 과정을 사용해야 하는 경우가 많았다. `CPUID` 명령어는 x86 아키텍처에 특화되어 있지만, ARM과 같은 다른 아키텍처에서도 x86의 `CPUID`와 유사한 정보를 얻기 위해 규정된 방식으로 읽을 수 있는 온칩 레지스터를 제공하는 경우가 많다.

2.1. x86 아키텍처에서의 CPUID

`CPUID` 명령어가 일반에 사용되기 전에는 프로그래머들은 프로세서의 제조사와 모델을 파악하기 위해 CPU 동작의 미세한 차이를 이용하는 난해한 기계어를 작성하곤 했다. 80386 프로세서가 도입되면서, 리셋 시 EDX 레지스터는 리비전을 나타냈지만, 이는 리셋 후에만 읽을 수 있었고, 응용 프로그램이 해당 값을 읽을 수 있는 표준적인 방법은 없었다.

x86 계열 이외의 아키텍처에서는 개발자들이 CPU 설계의 차이를 파악하기 위해 (명령어 타이밍이나 CPU 오류 트리거와 관련된) 난해한 프로세스를 사용해야 하는 경우가 많았다.

`CPUID` 명령어는 x86 아키텍처에 특화되어 있지만, ARM과 같은 다른 아키텍처는 x86 `CPUID` 명령어와 동일한 종류의 정보를 얻기 위해 규정된 방식으로 읽을 수 있는 온칩 레지스터를 제공하는 경우가 많다. `CPUID` 명령은 일부 80486 및 그 이후 프로세서에서 사용할 수 있으므로, 경우에 따라 `CPUID` 명령이 존재하는 프로세서인지 여부를 사전에 판별할 필요가 생긴다. 80486 이상의 프로세서임을 확인할 수 있는 경우, `CPUID` 명령의 존재를 확인하기 위한 플래그로 32비트 플래그 레지스터(EFLAGS)의 제21비트가 새로 마련되었으므로, 이 비트가 "변경 가능"하면 `CPUID` 명령을 사용할 수 있다고 판단할 수 있다.

2.2. x86 외 아키텍처에서의 CPU 식별

x86 계열 이외의 아키텍처에서는 개발자들이 CPU 설계의 차이를 파악하기 위해 (명령어 타이밍이나 CPU 오류 트리거와 관련된) 난해한 프로세스를 사용해야 하는 경우가 많다.

예를 들어, CPUID 명령어가 전혀 없는 모토로라 680x0 계열에서는 특정 명령어에 특권이 필요했다. 이를 통해 다양한 CPU 제품군을 구별할 수 있었다. 모토로라 68010에서는 SR에서 MOVE 명령어가 특권을 가지게 되었다. 이 주목할 만한 명령어 (및 상태 머신) 변경을 통해 68010은 Popek과 Goldberg의 가상화 요구 사항을 충족할 수 있었다. 68000은 비특권 SR에서 MOVE를 제공했기 때문에, 두 개의 다른 CPU는 CPU 오류 조건이 트리거됨으로써 구별될 수 있었다.

CPUID 명령어는 x86 아키텍처에 특화되어 있지만, ARM과 같은 다른 아키텍처는 x86 CPUID 명령어와 동일한 종류의 정보를 얻기 위해 규정된 방식으로 읽을 수 있는 온칩 레지스터를 제공하는 경우가 많다.

3. CPUID 호출

어셈블리어에서 CPUID 명령어는 EAX 레지스터를 사용하므로 별도의 매개변수가 필요 없다. EAX 레지스터에는 어떤 정보를 반환할지를 지정하는 값을 설정해야 한다. CPUID는 EAX = 0으로 먼저 호출되어야 하는데, 이는 CPU가 지원하는 가장 높은 호출 변수를 반환하기 때문이다. 확장 정보를 가져오려면 EAX의 비트 31을 설정하여 CPUID를 호출해야 한다. 가장 높은 확장 명령 호출 변수를 확인하려면 EAX = 80000000h로 CPUID를 호출하면 된다.

CPUID 연산 코드는 0F A2이다.

최근 추가된 일부 리프(leaf)에는 CPUID를 호출하기 전에 ECX 레지스터를 통해 선택되는 서브 리프도 존재한다.

3.1. CPUID 명령 사용 가능 여부 판별 (일본어 문서 내용)

CPUID 명령은 일부 80486 및 그 이후 프로세서에서 사용할 수 있으므로, CPUID 명령이 존재하는 프로세서인지 여부를 사전에 판별해야 할 필요가 있는 경우가 있다. 80486 이전의 프로세서를 식별해야 하는 경우에는, 각 프로세서의 미묘한 동작 차이를 이용하는 난해한 기술을 구사해야 했다.

80486 이상의 프로세서임을 확인할 수 있는 경우, CPUID 명령의 존재를 확인하기 위한 플래그로 32비트 플래그 레지스터(EFLAGS)의 제21비트가 새로 마련되었으므로, 이 비트가 "변경 가능"하면 CPUID 명령을 사용할 수 있다고 판단할 수 있다. EFLAGS는 80386 이상의 프로세서라면 액세스할 수 있으므로, 80286 이하의 프로세서를 판별·제외할 필요는 있지만, CPUID 명령의 유무만을 조사하고 싶다면 실질적으로 80386 이상임을 확인할 수 있다면 이 플래그를 조사할 수 있다.

4. 고급 언어에서의 CPUID 사용

CPUID 명령어는 여러 고급 프로그래밍 언어에서 쉽게 사용할 수 있다.

C/C++에서는 GCC, MSVC, Borland/Embarcadero C 컴파일러 등에서 CPUID를 활용할 수 있다. GCC는 `` 헤더를 통해 `__cpuid` 매크로나 `__get_cpuid` 함수를 제공하고, MSVC는 내장 함수 `__cpuid()`를 제공한다.

.NET 5 이상에서는 `System.Runtime.Intrinsics.X86.X86base.CpuId` 메서드를 통해 CPUID 기능을 사용할 수 있다. 또한, 많은 인터프리터 언어나 스크립팅 언어는 FFI 라이브러리를 통해 CPUID를 사용한다.

4.1. 인라인 어셈블리

CPUID 명령어는 다양한 언어에서 접근할 수 있다. 다음은 C++ (gcc)를 사용하여 cpuid가 반환하는 처음 다섯 개의 값을 출력하는 코드이다.


#include

int main(int argc, char argv) {
int b;
for (int a = 0; a < 5; a++) {
asm ( "mov %1, %%eax; " // a → eax
"cpuid;"
"mov %%eax, %0;" // eeax → b
:"=r"(b) /* 출력 */
:"r"(a) /* 입력 */
:"%eax" /* 레지스터 표시 */
);
std::cout << "코드 " << a << "은(는) 다음을 제공한다: " << b << std::endl;
}
return 0;
}


마이크로소프트 비주얼 C 컴파일러는 `__cpuid()` 함수를 내장하고 있어, 인라인 어셈블리를 사용하지 않고도 cpuid 명령을 추가할 수 있다. x64 버전의 MSVC는 인라인 어셈블리를 허용하지 않으므로 이 방법이 더 편리하다. MSVC에서는 다음과 같이 사용한다.


#include
#include

int main(int argc, char argv) {
int b[4];
for (int a = 0; a < 5; a++) {
__cpuid(b,a);
std::cout << "코드 " << a << "은(는) 다음을 제공한다: " << b[0] << std::endl;
}
return 0;
}


다음은 gcc용 C 코드로, cpuid가 반환하는 처음 5개의 값을 출력한다.

```c
#include
#include

int main()
{
unsigned int i, eax, ebx, ecx, edx;

for (i = 0; i < 5; i++) {
__cpuid(i, eax, ebx, ecx, edx);
printf ("InfoType %x\nEAX: %x\nEBX: %x\nECX: %x\nEDX: %x\n", i, eax, ebx, ecx, edx);
}

return 0;
}
```

MSVC 및 Borland/Embarcadero C 컴파일러(bcc32) 스타일의 인라인 어셈블리에서는 파괴 정보가 명령어에 암시적으로 포함된다.

```c
#include

int main()
{
unsigned int a, b, c, d, i = 0;

__asm {
/* Do the call. */
mov EAX, i;
cpuid;
/* Save results. */
mov a, EAX;
mov b, EBX;
mov c, ECX;
mov d, EDX;
}

printf ("InfoType %x\nEAX: %x\nEBX: %x\nECX: %x\nEDX: %x\n", i, a, b, c, d);
return 0;
}
```

어느 버전이든 일반 어셈블리어로 작성하는 경우, 프로그래머는 EAX, EBX, ECX, EDX 레지스터의 값을 계속 사용하려면 결과를 다른 곳에 수동으로 저장해야 한다.

4.2. 래퍼 함수

CPUID는 다양한 프로그래밍 언어에서 래퍼 함수를 통해 쉽게 접근할 수 있다.

C++ (GCC)에서는 다음과 같은 코드로 `cpuid`가 반환하는 처음 다섯 개의 값을 출력할 수 있다.

```cpp
#include

int main(int argc, char argv) {
int b;
for (int a = 0; a < 5; a++) {
asm ( "mov %1, %%eax; " // a → eax
"cpuid;"
"mov %%eax, %0;" // eeax → b
:"=r"(b) /* 출력 */
:"r"(a) /* 입력 */
:"%eax" /* 레지스터 표시 */
);
std::cout << "코드 " << a << "은(는) 다음을 제공한다: " << b << std::endl;
}
return 0;
}
```

MSVC는 `__cpuid()` 함수를 내장하고 있어, 인라인 어셈블리 없이 `cpuid` 명령을 사용할 수 있다. 특히 x64 버전의 MSVC는 인라인 어셈블리를 허용하지 않으므로 더욱 편리하다.

```cpp
#include
#include

int main(int argc, char argv) {
int b[4];
for (int a = 0; a < 5; a++) {
__cpuid(b,a);
std::cout << "코드 " << a << "은(는) 다음을 제공한다: " << b[0] << std::endl;
}
return 0;
}
```

GCC는 `cpuid.h` 헤더 파일을 통해 `__cpuid` 매크로를 제공한다. 이 매크로는 인라인 어셈블리로 확장된다.

```c
#include
#include

int main()
{
unsigned int eax, ebx, ecx, edx;

__cpuid(0 /* 공급업체 문자열 */, eax, ebx, ecx, edx);
printf("EAX: %x\nEBX: %x\nECX: %x\nEDX: %x\n", eax, ebx, ecx, edx);

return 0;
}
```

CPU에 없는 확장 기능을 요청할 경우를 대비하여, `cpuid.h`는 `__get_cpuid` 함수를 제공한다. 이 함수는 확장 기능을 확인하고 안전 검사를 수행하며, 포인터를 사용하여 출력 값을 전달한다.

```c
#include
#include

int main()
{
unsigned int eax, ebx, ecx, edx;

/* 0x81234567은 존재하지 않지만 존재한다고 가정합니다. */
if (!__get_cpuid (0x81234567, &eax, &ebx, &ecx, &edx)) {
printf("경고: CPUID 요청 0x81234567이 유효하지 않습니다!\n");
return 1;
}

printf("EAX: %x\nEBX: %x\nECX: %x\nEDX: %x\n", eax, ebx, ecx, edx);

return 0;
}
```

`__get_cpuid` 함수는 올바른 요청에 대해 0이 아닌 값을, 실패 시 0을 반환한다.

MSVC에서 인라인 어셈블리 없이 CPUID를 사용하는 또 다른 예시는 다음과 같다.

```cpp
#include
#ifdef __MSVC__
#include
#endif

int main()
{
unsigned int regs[4];
int i;

for (i = 0; i < 4; i++) {
__cpuid(regs, i);
printf("코드 %d는 %d, %d, %d, %d를 제공합니다", regs[0], regs[1], regs[2], regs[3]);
}

return 0;
}
```

FFI 라이브러리를 통해 CPUID를 사용하는 인터프리터 언어나 스크립팅 언어도 많다. [https://web.archive.org/web/20150429190703/http://www.cstrahan.com/posts/pure-ruby-cpuid-via-ffi.html Ruby FFI 모듈을 사용한 구현 예시]에서는 어셈블리 언어를 실행하여 CPUID 연산 코드를 사용하는 방법을 보여준다.

.NET 5 이상 버전은 `System.Runtime.Intrinsics.X86.X86base.CpuId` 메서드를 제공한다. 다음 C# 코드는 CPUID 명령을 지원하는 경우 프로세서 브랜드를 출력한다.

```c#
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;
using System.Text;

namespace X86CPUID {
class CPUBrandString {
public static void Main(string[] args) {
if (!X86Base.IsSupported) {
Console.WriteLine("CPU가 CPUID 명령을 지원하지 않습니다.");
} else {
Span raw = stackalloc int[12];
(raw[0], raw[1], raw[2], raw[3]) = X86Base.CpuId(unchecked((int)0x80000002), 0);
(raw[4], raw[5], raw[6], raw[7]) = X86Base.CpuId(unchecked((int)0x80000003), 0);
(raw[8], raw[9], raw[10], raw[11]) = X86Base.CpuId(unchecked((int)0x80000004), 0);

Span bytes = MemoryMarshal.AsBytes(raw);
string brand = Encoding.UTF8.GetString(bytes).Trim();
Console.WriteLine(brand);
}
}
}
}

4.3. 기타 언어

CPUID가 반환하는 처음 다섯 개의 값을 출력하는 C++ (gcc) 코드는 다음과 같다.


#include

int main(int argc, char argv) {
int b;
for (int a = 0; a < 5; a++) {
asm ( "mov %1, %%eax; " // a → eax
"cpuid;"
"mov %%eax, %0;" // eax → b
:"=r"(b) /* 출력 */
:"r"(a) /* 입력 */
:"%eax" /* 레지스터 표시 */
);
std::cout << "코드 " << a << "은(는) 다음을 제공한다: " << b << std::endl;
}
return 0;
}


마이크로소프트 비주얼 C 컴파일러는 `__cpuid()` 함수를 내장하고 있으므로, 인라인 어셈블리를 사용하지 않고도 CPUID 명령을 추가할 수 있다. x64 버전의 MSVC가 인라인 어셈블리를 허용하지 않기 때문에 유용하다. MSVC의 경우 다음과 같이 사용한다.


#include
#include

int main(int argc, char argv) {
int b[4];
for (int a = 0; a < 5; a++) {
__cpuid(b,a);
std::cout << "코드 " << a << "은(는) 다음을 제공한다: " << b[0] << std::endl;
}
return 0;
}

5. x86 외 CPU 아키텍처에서의 CPU 정보

ARM 아키텍처는 예외 레벨 EL1 이상이 필요한 `CPUID` 보조 프로세서 레지스터를 가지고 있다.

IBM System z 메인프레임 프로세서는 1983년 IBM 4381부터 프로세서 ID를 쿼리하기 위한 CPU ID 저장(STIDP) 명령어를 가지고 있으며, 설치된 하드웨어 기능을 나열하는 확장 기능 목록 저장(STFLE) 명령어도 가지고 있다.

MIPS32/64 아키텍처는 필수 프로세서 식별(PrId) 및 일련의 데이지 체인 구성 레지스터를 정의한다.

PowerPC 프로세서는 사용 중인 프로세서 모델을 식별하는 32비트 읽기 전용 프로세서 버전 레지스터(PVR)를 가지고 있다. 이 명령어는 슈퍼바이저 액세스 레벨이 필요하다.

DSP 및 트랜스퓨터와 유사한 칩 제품군은 설계에 많은 변형이 있음에도 불구하고 눈에 띄는 방식으로 이 명령어를 채택하지 않았다.