요약

컴퓨터는 여러 층을 쌓아 만든다. 위층은 아래층이 무엇을 해 주는지만 알면 되고, 어떻게 해 주는지는 몰라도 된다. 식당 손님이 주방을 몰라도 메뉴판만 보고 주문하는 것과 같다. 층 가운데 가장 중요한 경계는 프로세서가 알아듣는 명령의 목록이다. 이 목록만 그대로 두면 프로그램을 고치지 않고 프로세서를 새로 만들 수 있고, 프로세서를 몰라도 프로그램을 짤 수 있다. 대신 아래층을 가려 두기 때문에, 프로그램이 왜 느린지는 가려 둔 층을 열어 봐야 보인다.

예시로 보기

프로세서 안에는 스위치 수십억 개가 있다. 프로그램을 짤 때마다 어느 스위치를 켤지 정해야 한다면 덧셈 한 번도 짜기 어렵다. 그래서 일을 층으로 나눈다. C로 쓴 한 줄이 아래층으로 내려가면서 모양이 바뀐다.

flowchart TD
    A["고급 언어: a = b + c;"] -->|"컴파일러"| B["어셈블리어: add $t0, $s1, $s2"]
    B -->|"어셈블러"| C["기계어: 0x02324020 (32비트)"]
    C -->|"여기가 명령어 집합이라는 경계"| D["프로세서: 레지스터 두 개를 읽어 덧셈 회로에 넣고 결과를 적는다"]
    D --> E["논리 회로: 게이트와 플립플롭"]
    E --> F["트랜지스터: 전기로 켜고 끄는 스위치"]

위 세 칸은 소프트웨어가 하는 일이고 아래 세 칸은 하드웨어가 하는 일이다. 가운데 화살표가 둘이 만나는 자리다12.

어셈블리어 한 줄 add $t0, $s1, $s2는 “레지스터 $s1과 $s2의 값을 더해 $t0에 넣어라”다. 어셈블러는 이것을 32비트 수 하나로 바꾼다. 비트를 여섯 칸으로 끊으면 칸마다 뜻이 있다3.

칸 연산 종류 첫째 원천 둘째 원천 목적지 시프트 양 세부 연산
비트 수 6 5 5 5 5 6
값 000000 10001 ($s1 = 17번) 10010 ($s2 = 18번) 01000 ($t0 = 8번) 00000 100000 (덧셈)

이어 붙이면 0000 0010 0011 0010 0100 0000 0010 0000, 16진수로 0x02324020이다. 프로세서가 받는 것은 이 32비트뿐이다. a, b, c라는 이름도 + 기호도 남아 있지 않다.

검증: add $t0, $s1, $s2의 32비트 값과 여섯 칸, 카드 C3의 0x01098022 — 01_computer-abstraction-layers_verify.py (실제 하드웨어가 아니라 파이썬으로 비트를 이어 붙인 확인)

층과 경계

가리고 내놓기. 아래층의 복잡한 속을 가리고, 위층에는 쓸 수 있는 기능만 간단히 내놓는 일이다(추상화). 위 그림의 화살표 하나하나가 이 일을 한다. 컴파일러를 쓰는 사람은 레지스터 번호를 몰라도 되고, 기계어를 내는 사람은 게이트 배선을 몰라도 된다1.

명령어 집합 구조. 프로세서가 알아듣는 명령, 레지스터, 메모리를 쓰는 방법을 적어 둔 약속이다(명령어 집합 구조, ISA). 하드웨어와 가장 아래쪽 소프트웨어가 이 약속을 사이에 두고 만난다1. 이 과목은 MIPS라는 32비트 명령어 집합을 쓴다. 자세한 것은 명령어 집합 구조에 있다.

약속과 만든 방법은 다르다. 같은 명령어 집합을 서로 다른 회로로 만들 수 있다. 약속을 구조(architecture), 그 약속을 지키는 회로를 구현(implementation)이라 부른다1. add를 한 사이클에 끝내는 프로세서와 다섯 단계로 나눠 하는 프로세서는 구현이 다르고 빠르기도 다르지만, 같은 기계어 프로그램을 돌린다. 3단원에서 이 두 구현을 차례로 만든다: 단일 사이클 데이터패스, 5단계 파이프라인.

컴퓨터의 다섯 부분. 어떤 컴퓨터든 하드웨어는 다섯 가지 일을 하는 부분으로 나뉜다1.

부분 하는 일
입력 밖에서 자료를 받는다 (키보드, 네트워크)
출력 결과를 밖으로 내보낸다 (화면, 디스크)
메모리 돌고 있는 프로그램과 그 자료를 담아 둔다
데이터패스 실제 계산을 한다. 레지스터와 덧셈 회로와 그 사이의 길이다
제어 명령을 보고 데이터패스, 메모리, 입출력에 무엇을 할지 시킨다

데이터패스와 제어를 합쳐 프로세서라 부른다. 운영체제 과목은 같은 그림을 프로세서, 주기억장치, 입출력 모듈, 시스템 버스로 나눠 본다: 컴퓨터의 기본 구성 요소.

활용

  • 이 과목의 지도. 1단원은 빠르기를 재는 법과 맨 아래의 논리 회로, 2단원은 가운데 경계인 명령어 집합, 3단원은 그 약속을 지키는 프로세서, 4단원은 메모리를 다룬다.
  • 같은 프로그램, 새 프로세서. 명령어 집합이 같으면 예전에 만든 기계어 프로그램이 새 프로세서에서 그대로 돈다. 반대로 명령어 집합이 다르면(MIPS와 x86) 같은 C 프로그램도 다시 컴파일해야 한다.
  • 흔한 실수. 층을 가렸다고 아래층의 비용이 사라지지는 않는다. C에서 한 줄인 a[i] = b[i] * c가 기계어 여러 줄이 되고, 줄마다 걸리는 시간이 다르다. 빠르기를 따지려면 가려 둔 층을 세어야 한다: CPU 시간 식.
  • 어셈블리어 과목은 같은 층 쌓기를 x86에서 다룬다: 가상 기계 계층. 컴파일러 과목의 코드 생성용 MIPS 명령어는 레지스터 이름과 명령을 줄여 쓴 표기라 이 과목의 실제 MIPS 표기와 다르다.

연결

확인 문제

C1 C 한 줄이 프로세서에서 돌기까지 거치는 층을 위에서 아래로 쓰고, 소프트웨어와 하드웨어가 만나는 자리를 짚어라.

답: 고급 언어 → (컴파일러) → 어셈블리어 → (어셈블러) → 기계어 → 프로세서(데이터패스와 제어) → 논리 회로 → 트랜지스터. 기계어와 프로세서 사이, 곧 명령어 집합 구조가 만나는 자리다.
이유: 기계어까지는 프로그램이 만들고, 그 기계어를 읽고 해내는 것부터는 회로다.

C2 명령어 집합은 그대로 두고 프로세서 회로만 새로 만들었다. 예전 기계어 프로그램은 어떻게 되는가? 빠르기는 어떻게 되는가?

답: 고치지 않고 그대로 돈다. 빠르기는 달라질 수 있다.
이유: 프로그램이 기대는 것은 약속(구조)이고, 회로(구현)가 아니다. 약속이 정하는 것은 명령마다 어떤 결과가 나오느냐뿐이고, 몇 사이클이 걸리는지와 한 사이클이 얼마나 긴지는 구현이 정한다.
흔한 오답: “프로세서가 바뀌었으니 다시 컴파일해야 한다.” 다시 컴파일해야 하는 것은 명령어 집합이 바뀔 때다.

C3 sub $s0, $t0, $t1을 위 표의 여섯 칸에 채워 32비트 16진수로 쓰라. 뺄셈의 세부 연산 값은 100010이고, $t0 = 8번, $t1 = 9번, $s0 = 16번이다.

답: 000000 / 01000 / 01001 / 10000 / 00000 / 100010 → 0x01098022.
이유: 어셈블리어에서는 목적지($s0)를 맨 앞에 쓰지만, 기계어에서는 두 원천($t0, $t1)이 앞 칸이고 목적지가 넷째 칸이다.
흔한 오답: 어셈블리어에 쓴 순서대로 16, 8, 9를 넣는 것.

  1. Patterson & Hennessy, Computer Organization and Design (MIPS Edition), 1장 “Computer Abstractions and Technology” (프로그램 아래의 층, 고급 언어에서 기계어까지, 하드웨어·소프트웨어 인터페이스, 구조와 구현의 구별, 컴퓨터의 다섯 구성 요소). 책을 직접 열지 못해 장까지만 적는다. ↩ ↩2 ↩3 ↩4 ↩5

  2. 다이어그램 1개와 a = b + c 예는 직접 만들었다. 층의 순서는 1의 장을 따랐고, 32비트 값은 검증 코드로 확인했다. ↩

  3. 같은 책, 2장 “Instructions: Language of the Computer”와 책에 딸린 MIPS 참조표(Green Sheet). 연산 종류 0, 덧셈의 세부 연산 100000(16진수 20), 뺄셈 100010(16진수 22), 레지스터 번호 $t0 = 8, $s0 = 16. 여섯 칸의 규칙은 MIPS 명령어 형식에서 다룬다. ↩