컴퓨터는 여러 층으로 쌓은 건물과 같다. 맨 아래층에는 전기 신호로 움직이는 회로가 있고, 한 층 올라갈 때마다 사람이 쓰기 편한 말이 하나씩 생긴다. 위층의 말로 쓴 프로그램은 바로 아래층의 말로 바뀌어야 움직인다. 덕분에 각 층에서는 바로 아래층만 알면 일할 수 있다. 다만 맨 위층에서 쓴 한 줄이 아래로 내려가며 무엇으로 바뀌는지는 위층에서 보이지 않는다.
예시로 보기
프로세서의 회로는 숫자로 된 명령만 알아듣는다. 사람이 숫자 명령을 직접 쓰기는 너무 힘들다. 그래서 사람이 쓰기 편한 말을 새로 만들고, 그 말을 숫자 명령으로 바꿔 줄 방법을 마련한다.
기계가 원래 알아듣는 말을 L0, 그 위에 만든 사람에게 편한 말을 L1이라 하자. L1로 쓴 프로그램을 돌리는 방법은 둘이다.
- 해석 (interpretation). L0로 쓴 프로그램이 L1 문장을 하나 읽고, 그 문장대로 하고, 다음 문장을 읽는다. 외국어 연설을 통역사가 한 문장씩 옮겨 주는 것과 같다.
- 번역 (translation). L1 프로그램 전체를 먼저 L0 프로그램으로 바꿔 놓는다. 그 뒤에는 바꿔 놓은 L0 프로그램이 기계에서 바로 돈다. 책 한 권을 통째로 번역해 두는 것과 같다.
“A × B + C를 계산해 찍는다”는 L1 문장 네 줄을 100번 되풀이해 돌려 보면 차이가 보인다. 두 방법 모두 답은 같다. 그런데 해석은 L1 문장을 400번 읽고, 번역은 처음에 4번만 읽는다1.
L1도 쓰기 불편하면 그 위에 L2를 또 만든다. 이렇게 층이 쌓인다. 각 층을 “이 층의 말을 바로 알아듣는 기계가 있다”고 치고 그 기계를 가상 기계라 부른다2. 진짜 기계는 맨 아래 하나뿐이고, 위층의 기계는 아래층이 해석하거나 번역해 주어서 있는 것처럼 보일 뿐이다.
네 단계
실제 컴퓨터는 네 단계로 나눠 볼 수 있다.
flowchart TD
L4["4단계: 고급 언어<br/>C++, Java, Pascal, Visual Basic"] -->|"컴파일한다"| L3["3단계: 어셈블리어<br/>기계어와 일대일인 니모닉"]
L3 -->|"번역한다"| L2["2단계: 명령어 집합 구조(ISA)<br/>보통 말하는 기계어"]
L2 -->|"실행한다"| L1["1단계: 디지털 논리<br/>논리 게이트로 만든 CPU, 버스, 메모리"]
| 단계 | 이름 | 무엇인가 | 아래로 어떻게 넘어가나 |
|---|---|---|---|
| 4 | 고급 언어 | 응용 프로그램을 짜기 좋은 말. C++, Java, Pascal, Visual Basic | 프로그램을 3단계 어셈블리어로 컴파일한다 |
| 3 | 어셈블리어 | 기계어 명령과 일대일로 짝지은 니모닉 | 2단계 기계어로 번역한다 |
| 2 | 명령어 집합 구조 (ISA) | 프로세서가 알아듣는 명령의 목록. 보통 말하는 기계어(conventional machine language) | 1단계가 실행한다 |
| 1 | 디지털 논리 | 논리 게이트로 만든 CPU, 시스템 버스, 메모리. 그 밑에는 트랜지스터가 있다 | — |
2단계의 이름이 낯설다. 명령어 집합 구조는 “이 프로세서는 이런 명령들을 알아듣는다”는 약속이다. 같은 약속을 지키는 프로세서끼리는 안쪽 회로가 달라도 같은 기계어 프로그램을 돌린다2.
1단계의 부품은 논리 게이트다. 예를 들어 선택 신호 S가 거짓이면 X를, 참이면 Y를 내보내는 부품(2입력 멀티플렉서)은 AND, OR, NOT 게이트로 만든다. 식으로는 \((Y \wedge S) \vee (X \wedge \neg S)\)다. 자세한 것은 불 대수와 논리 회로에 있다.
층은 하드웨어일 수도 있고 소프트웨어일 수도 있다. 1단계는 하드웨어이고, 4단계를 3단계로 바꾸는 컴파일러는 소프트웨어다.
이 그림이 말해 주지 않는 것. 모든 고급 언어가 꼭 번역으로만 내려가는 것은 아니다. Java는 실제 프로세서의 기계어가 아니라 가상의 기계를 위한 명령으로 먼저 바뀌고, 그 명령을 다른 프로그램이 해석하거나 번역한다2: JVM과 바이트코드.
활용
- 어셈블리어 프로그래머는 3단계에서 일한다. 한 층 위(C++ 문장이 어떤 명령이 되는가)와 한 층 아래(명령이 몇 바이트의 기계어가 되는가)를 함께 본다.
- 흔한 실수: 여기의 단계 번호를 입출력의 단계 번호와 섞는 것. 입출력 접근 수준도 0~3의 번호를 쓰지만 세는 대상이 다르다. 저쪽은 “화면에 글자를 찍을 때 누구에게 부탁하는가”의 단계다.
연결
- 선수: 어셈블리어와 기계어
- 해석과 번역을 프로그래밍 언어 처리기의 눈으로 견준 것: 컴파일과 인터프리트 비교. 4단계에서 3단계로 내려가는 프로그램의 속: 컴파일러의 구조
- 3단계에서 2단계로 내려가는 길: 어셈블·링크·실행 과정
확인 문제
C1 가상 기계의 네 단계를 위에서부터 이름과 함께 쓰고, 각 단계가 바로 아래 단계로 어떻게 넘어가는지 쓰라.
답: 4단계 고급 언어 → (컴파일) → 3단계 어셈블리어 → (번역) → 2단계 명령어 집합 구조(기계어) → (실행) → 1단계 디지털 논리.
흔한 오답: 고급 언어가 곧바로 기계어가 된다고 적는 것. 이 그림에서는 어셈블리어를 거친다.
C2 (가) 프로그램을 돌릴 때마다 위층 말로 쓴 문장을 한 줄씩 읽어 그 자리에서 한다. (나) 프로그램 전체를 미리 아래층의 말로 바꿔 두고, 돌릴 때는 바꿔 둔 것만 쓴다. 각각 해석과 번역 중 무엇인가? 같은 문장을 1,000번 되풀이하는 프로그램에서 위층 문장을 읽는 횟수는 어떻게 다른가?
답: (가) 해석, (나) 번역. 해석은 되풀이할 때마다 문장을 다시 읽으므로 1,000번(문장 수만큼 곱해서) 읽는다. 번역은 처음 한 번만 읽는다.
이유: 번역은 바꾸는 일과 돌리는 일을 떼어 놓는다. 해석은 둘을 문장마다 붙여서 한다.
C3 층을 여러 개로 나누면 무엇이 편해지는가? 대신 무엇이 가려지는가?
답: 각 층에서는 바로 아래층의 말만 알면 된다. C++ 프로그래머는 게이트를 몰라도 되고, 프로세서 설계자는 C++을 몰라도 된다. 대신 위층의 한 줄이 아래에서 몇 개의 명령이 되고 얼마나 걸리는지는 위층에서 보이지 않는다. 그것을 보려고 한 층 내려와 어셈블리어를 읽는다.