컴퓨터 구조론 Lecture 1 - 1

D0Lim·2021년 1월 7일

컴퓨터 구조론

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이 글은 필자가 수업시간에 들은 내용과 강의록을 토대로 정리한 글입니다.
수업 필기이다 보니, 오류가 있거나 설명이 부족한 부분이 있을 수 있습니다.
궁금하신 점이나 지적하실 점이 있다면 댓글로 달아주세요! 확인 후 내용을 추가하거나 답변해드리도록 하겠습니다 :)

중요한 것은 컴퓨터의 종류와 관계 없이 이 과목에서 배우는 모든 내용은 모든 종류의 컴퓨터에 적용 가능하다는 것이다.

어플리케이션 소프트웨어(Application Software)
- 고수준 언어로 작성된다(HLL, high-level language)
- 예를 들어 C, C++, JAVA …
시스템 소프트웨어(System Software)
- 컴파일러(Compiler)
  - 컴파일러는 사실 그 자체로 소프트웨어이다. 즉, 누군가는 컴파일러를 만들어야 한다.
  - 고수준 언어를 기계어로 변환한다.
- 운영체제(OS, Operating System)
  - Windows, Linux, macOS, Android, iOS, Unix and so on…
  - 소프트웨어를 위한 서비스를 제공한다. 예를 들어 소프트웨어가 운영체제에 어떤 결과를 출력하도록 요청하면 운영체제는 그 작업을 수행한다. 즉, 소프트웨어를 도와주는 역할을 한다고 볼 수 있다.
  - 작업을 스케쥴링(Scheduling)하고, 자원을 공유(Share)한다.
    - 사실 CPU는 단 하나의 프로그램만을 실행할 수 있다. 다만, OS가 멀티태스킹(Multitasking)을 관리하여 이를 가능하게 한다. 예를 들어, 카카오톡을 10ms동안, 크롬을 10ms동안 실행하는 방식이다.

한편, 이 책에서 컴퓨터(Computer) == 프로세서(Processor) == CPU 이다.

기계어(Machine Language)
- 하드웨어(Hardware) 친화적인 표현이다.
- 이진 숫자(Binary digit)들로 이루어져 있다.
- 예를 들어 110101001010111000001010101010 …
- 인코딩된 명령(Instruction)과 데이터(Data)이다.
- 읽고 디버깅 하기에 너무 불편하다. 그래서 ...
어셈블리 언어(Assembly language)
- 명령(Instruction)의 문자적 표현이다.
고수준 언어(HLL, 예를 들어 C) -> (컴파일러) -> 어셈블리 언어 -> (어셈블러) -> 기계어 -> (실행) -> 프로세서
- 만약 MIPS 프로세서라면
  - 우리는 MIPS 컴파일러와 MIPS 어셈블러가 필요하다.
- 만약 Intel 프로세서라면
  - 우리는 Intel 컴파일러와 Intel 어셈블러가 필요하다.
- 만약 AMD 프로세서라면
  - 우리는 AMD 컴파일러와 AMD 어셈블러가 필요하다.
- 모든 각각 다른 프로세서는 각각 다른 컴파일러, 어셈블러, 어셈블리 언어 등을 사용한다.
자바(Java)의 경우 약간 다른 방식을 취한다.
- 고수준 언어(Java) -> (자바 컴파일러) -> 자바 기계어(Java Machine Code) -> (JVM에서 실행)
- JVM은 MIPS나 Intel과 같은 CPU들을 위해서 미리 컴파일된 가상의 가짜 컴퓨터이다.
- 고수준 언어에서 자바 컴파일러, 그리고 자바 기계어로의 과정에 사실 많은 것이 생략돼 있다.

5가지 주된 구성
- 데이터 경로(Datapath) & 제어(Control) -> 프로세서(Processor)
- 메모리(Memory)
  - 예를 들어 Cache, RAM, Disk …
- 입력(Input) & 출력(Output)
입력 -> 메모리 -> 데이터 경로 -> 제어 -> 데이터 경로 -> 메모리 -> 출력

추상화는 우리로 하여금 복잡성을 이겨내게 한다.
- 저수준의 자세한 작업들을 감춘다.
- 따라서 우리는 저수준에서 어떤 일이 일어나는지 알 필요가 없어진다 -> 행복
- 더 자세한 것(Details), 적용(Implementation), 복잡성(complexity)[HW] ||||| 사용 [SW]
- ||||| 는 인터페이스(ISA)이다.
ISA
- 하드웨어와 저수준 소프트웨어 사이의 인터페이스이다.
- 매우 중요한 추상화
- 예를 들어 퀄컴이 새로운 CPU를 만들었고, 삼성이 그것을 사용하기를 원한다고 하자. 삼성이 알아야 할 것은 그저 ISA이다. CPU에 대한 모든 것을 알 필요는 없다.
- 만약 동일하게 동작한다면, 동일한 아키텍쳐의 다른 적용도 가능하다. 예를 들어 ISA가 동일하다면, 그 내부에서는 어떠한 적용을 하더라도 상관이 없다.
- 가끔은 새로운 혁신을 막기도 한다. 만약 퀄컴이 새로운 더 나은 성능의 칩셋을 개발했다고 하더라도, ISA가 변한다면 삼성 등의 기업에서 사용하지 않을 가능성도 있다.

이 수업에서는 MIPS ISA에 초점을 맞추도록 한다.

알고리즘(Algorithm) + 자료구조(Data Structure) + 코딩 스킬(Coding skill)
- 고수준 언어에서 실행되어야 할 행동(Operation)의 수를 결정
프로그래밍 언어, 컴파일러, 아키텍쳐(Architecture)
- 고수준 언어 행동(Operation) 당 기계 명령(Machine instruction)의 수를 결정
- 같은 코드를 사용하더라도, 다른 수의 기계 명령(Machine instruction)을 얻을 수도 있다.
프로세서와 메모리 시스템
- 얼마나 빨리 기계 명령(Instruction)이 실행 될지를 결정 -> 자명

전기 전자 기술은 계속해서 진화하고 있다.
- 무어의 법칙 : 집적 회로 수용력(IC capacity)는 매 18 - 24 개월 마다 2배 증가한다.
- 물론 그는 성능이 향상될 것이라고는 말하지 않았다.
- 그에 따라 여러 반도체의 가격이 감소되었다.