내장형 프로그램

컴퓨터는 프로그래밍 가능한 기계입니다. 튜링이 계산하는 기계에 대한 이론적 토대를 마련했지만 여전히 중요한 질문이 남아있었습니다. 어떻게 그 기계를 현실 세계에 구현할 수 있을까요?

”전선 수천 개를 갈아끼우라고요?”

폰 노이만 구조 이전의 초기 컴퓨터들은 비효율적이었습니다:

ENIAC을 이후의 모든 컴퓨터들과 구분짓는 특이한 점 중 하나는, 명령어를 기계에 설정하는 방식이었다. 그것은 소형 천공 카드 기계의 플러그보드와 유사했지만, ENIAC에서는 수 피트 크기의 플러그보드가 약 40개나 있었고, 문제 하나의 명령어마다 다수의 와이어를 꽂아야 했다. 문제 하나를 실행 준비하기 위해서는 수천 개의 와이어를 연결해야 했으며, 이 작업에는 수일이 걸렸고, 그 설정을 검증하는 데에는 더 많은 날들이 필요했다.

Franz L. Alt, “Archaeology of Computers—Reminiscences, 1945–1947,” Communications of the ACM, Vol. 15, No. 7, July 1972, p. 694.

결국 ENIAC에게 프로그램이란 기계의 물리적인 구조 그 자체였습니다. 새로운 요리를 할 때마다 부엌 구조를 통째로 바꾸는 셈입니다.

내장형 프로그램 방식

1945년 존 폰 노이만은 프로그램을 하드웨어의 배선이 아닌 데이터로 취급함으로써 이 문제를 해결했습니다. 부엌은 그대로 두고 요리법만 바꾸는 것입니다. 이것이 내장형 프로그램 방식(Stored-Program Computer)입니다. 메모리에 저장된 프로그램만 새로 불러오면 컴퓨터가 완전히 다른 작업을 수행합니다.

그런데 “프로그램이 데이터”라는 게 구체적으로 무슨 뜻일까요? 이를 이해하기 위해서는 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어인 기계어가 어떻게 생겼는지 살펴봐야 합니다.

기계어

0과 1에서 살펴봤듯이 컴퓨터는 정보를 0과 1로만 표현하며, 프로그램도 예외는 아닙니다. 컴퓨터가 이해할 수 있는 언어, 즉 기계어는 모두 0과 1의 조합으로 이루어져 있습니다. 예를 들어 “두 숫자를 더해라”라는 명령을 컴퓨터에게 내리고 싶다면, 우리는 00110000과 같은 이진 숫자로 번역해서 전달해야 합니다.

하지만 여기서 중요한 것은 00110000이 덧셈을 의미한다는 것 자체에는 어떤 마법도 없다는 점입니다. 이는 단순히 CPU를 설계하는 사람과 프로그램을 짜는 사람 사이의 약속일 뿐입니다. “0011으로 시작하는 명령어를 보면 덧셈 회로를 작동시키자”고 미리 정해둔 규칙인 것입니다.

예를 들어 01100011이라는 8비트 숫자는 이렇게 해석될 수 있습니다:

• 앞 4비트 0110 → “값을 넣어라” (LDI 명령)
• 다음 2비트 00 → “R0에” (대상 지정)
• 마지막 2비트 11 → “숫자 3을” (값 지정)

즉 “R0에 3을 저장해라”라는 뜻입니다. 0110이 “값을 넣어라”를 의미한다는 것에 어떤 마법도 없습니다. CPU 설계자와 프로그래머 사이의 약속일 뿐입니다. 이런 약속들을 모아놓은 것을 명령어 집합 구조(Instruction Set Architecture, ISA)라고 부릅니다. 이 시리즈에서는 핵심 원리를 이해하기 위해 간단한 8비트 ISA를 직접 설계했습니다. 전체 명령어는 명령어 집합에서 살펴봅니다.

마무리

프로그램을 데이터로 메모리에 저장하는 내장형 프로그램 방식 덕분에 전선을 갈아끼울 필요 없이 메모리 내용만 바꾸면 컴퓨터가 전혀 다른 작업을 수행합니다. 다음 글에서는 이 방식을 따르는 컴퓨터가 어떤 부품으로 이루어지는지 살펴봅시다.