컴퓨터를 만듭시다. 어때요~ 참 쉽죠? (0)

KLDP 블로그에 OS 만들기 강좌를 올린지 어느덧 2년 가까이 지났군요.

그 강좌는 책이 되어 출간되었고,

출판사에는 경영상 타격을,
독자들에게는 어려운 설명에 좌절과 분노를,
제 개인 적으로는 괜찮은 경험을 주었습니다.

yes24의 제 책 페이지

이제는 거의 안팔리는 것 같은데... 그래도 링크 걸어봅니다.

그리고 2년이 지나고... 저는 또 다른 강좌를 올려볼까 합니다.

어렸을 적 그 유명하신 찰스 패촐드 아저씨가 쓴 "CODE"라는 책을 읽고 좌절했던 경험이 있습니다.
책을 1/3 정도 읽었을 무렵부터 책 내용을 이해하지 못했죠.
그리 두껍지 않은 책이었음에도 다 읽고 나서 멀미 비슷한 증상이 나타났었습니다.

그리고 대학교에 들어가 컴퓨터 구조론을 배울때 다시 CODE 책의 존재가 떠올랐습니다. 하지만 이미 책장에 책은 없어졌고, 서점에서는 절판되었다는 소식만 들릴 뿐이었습니다.

그때부터 그런 비슷한 글을 꼭 쓰고 싶었습니다. 비록 제가 쓴 글의 수준이 패촐드 아저씨의 수준에 이르지는 못할지라도요..

이제부터 시작합니다.

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#0.
태초에 빛이 있었다. 성경은 이렇게 시작한다. 태초에 0과 1이 있었다. 내 책은 이렇게 시작하려 한다. 지금 내가 이 글을 쓰고 있는 컴퓨터나 이 책을 읽고 있는 여러분들의 책상 위에 있는 컴퓨터나 디지털이라는 것이 발명되었기에 만들어진 물건이다. 나는 이 책에서 영과 일이라는 아주 단순한 개념부터 시작해 여러분이 사용하고 있는 컴퓨터에 이르는 긴 여정을 이야기하려 한다. 어쩌면 어려울 수도 있고 복잡해 보일 수도 있지만 포기하지 않고 따라 온다면 분명 많은 것을 얻게 될 것이다.

이 책에서 나는 어떤 이야기를 여러분에게 들려줄 것인가. 이제 부터 아주 짧게 내가 앞으로 여러분에게 들려줄 이야기를 정리해 보겠다. 아직 책이 시작하지도 않았는데 이야기를 정리해 주는 이유는 여러분이 이 책을 읽기 전에 이 책에 어떤 내용이 있는 지 알고 이 책이 어떤 흐름으로 진행되는 지를 알아 주길 바라는 마음에서다.

처음엔 영과 일, 스위치 on/off, 음과 양(이것도 디지털이다!). 이렇게 디지털이라는 것이 있었다. 그리고 사람들은 자신들이 익숙한 숫자를 디지털로 표현하고 싶어했다. 이진법이 발명되었다. 이어서 자신들이 익숙한 글자를 디지털로 표현하고 싶어했다. 코드가 생겨났다. 지금도 우리는 많은 코드를 접하며 산다. 아스키 코드, 유니코드...

사람들은 디지털을 신호로 전달하고 싶어했다. 원거리로 디지털 신호를 전송하려다 보니 중간에 신호가 점점 약해졌다. 사람들은 이 신호를 증폭하고 싶어 했다. 전기적 스위치를 이용해 증폭기를 만들었고 이것이 훗날 트랜지스터의 기본 개념이 되었다.

어떤 천재적인 사람이 세상에 있었다. 그 사람은 전류가 하나의 길로만 흐르는 것이 아니라 되돌아 올 수도 있을 것 같다는 생각을 했다. 그 사람은 피드백 회로를 만들었고 거기에서 오실레이터가 만들어 졌다. 오실레이터의 발명으로 전자 회로는 시간의 흐름에 따라 정교하게 제어가 가능하게 되었다. 그리고 스스로 숨쉴 수 있게 되었다.

전기 신호 증폭에 사용되었던 릴레이를 피드백 회로로 잘 구성하면 인풋 신호와 아웃풋 신호를 입맛에 맞게 조절할 수 있다. 이 인풋 아웃풋 값을 잘 알려진 불 연산자의 값과 일치 시켜서 전기적으로 and, or, not 연산 동작을 시킬 수 있게 되었다. 이것을 게이트라고 부르고 게이트의 발명으로 이제 전자 회로를 통해 논리적인 동작을 할 수 있게 되었다. 컴퓨터는 논리적인 동작을 자동화하는 기계다. 전자 회로가 논리적 동작을 할 수 있게 되었다는 것은 컴퓨터로의 진화에 한 발자욱 더 다가갔다는 의미가 된다.

릴레이를 피드백 회로로 엮어 게이트를 만들었다. 게이트를 피드백 회로로 엮으면 역시 인풋에 대해 특정 아웃풋을 내는 회로가 만들어진다. 이것을 플립플랍 회로라고 한다. 플립플랍 회로는 그 구성에 따라서 내부에 신호를 잡아둘 수 있다. 놀랍게도 값을 저장할 수 있게 되었다. 이제 회로는 전기 신호를 그저 흘려 보내는 것 뿐만 아니라 그 신호를 잡아두어 기억할 수도 있게 되었다. 놀라운 발전이다. 우리는 메모리를 만들어 낸 것이다.

스 위치와 전선. 코일 등으로 이루어진 이 복잡한 전자 회로는 너무 크고 느리고 전기를 많이 잡아 먹는다. 사람들은 괴물처럼 커져 버린 이 전자회로를 작게 줄이는 방법을 고민했다. 그리고 답을 얻어냈다. 이 커다란 전자 회로가 얇고 작은 조각 하나에 모두 들어가는 방법을 찾아낸 것이다. 반도체를 이용한 정교한 화학적 제어로 복잡한 전자 회로를 작게 모았다. 회로 집접 기술은 그후 눈부시게 발전했다. 지금 여러분 컴퓨터의 CPU나 메모리 칩을 보라. 이 작은 칩은 예전 체육관 하나를 꽉 채우던 진공관 컴퓨터 보다 훨씬 빠르고 성능이 좋으면서도 그 보다 작고 전기도 덜 소비한다.

논리 게이트를 이용해 메모리를 만들었다. 이제 논리 게이트를 이용해 덧셈기를 만들 수 있다. 이 회로는 메모리에 저장되어 있는 값을 읽어서 더한 다음 다시 메모리에 저장한다. 놀라운 일이 벌어졌다. 우리는 최초의 컴퓨터와 동일한 동작을 하는 기계를 만드는 단계에 까지 이른것이다. 보수법을 이용하면 덧셈기를 이용해 뺄셈을 할 수 있다. 덧셈을 반복하면 곱셈이다. 뺄셈을 반복하면 나눗셈이다. 그리고 약간의 부가 회로를 추가하면 비트 시프트 회로도 구성할 수 있다. 현대 CPU가 하는 모든 일을 우리가 만든 덧셈기도 할 수 있다. 진화는 거의 완성되어 간다.

덧셈기로 덧셈을 할 수 있고, 뺄셈을 할 수 있고, 곱셈, 나눗셈을 할 수 있다. 메모리에서 값을 가져올 수도 있고, 저장할 수도 있다. 메모리에서 값을 가져오는 위치를 바꿀 수도 있다. 이런 작업들은 일련의 스위치로 덧셈기에 명령을 내려서 작업한다. 스위치를 이용한다. 이 책의 이야기는 최초 스위치를 자동화 하는 것에서 부터 본격적으로 진행되었다. 그리고 이야기가 절정에 달하는 이 시점에 다시 스위치가 등장했다. 당연히 자동화 할 수 있다. 덧셈기를 자동화하는 컨트롤 명령어 집합이 만들어 지는 것이다. 우리는 흔히 이 컨트롤 명령의 집합을 기계어라고 부르고 인간이 알아보기 쉽게 기계어를 읽을 수 있는 문자로 일대일 분류해 놓은 것을 어셈블리어라고 부른다.

어셈블리어는 설계자의 뜻에 따라 복잡하고 많이 정의 될 수도 있고, 가장 기본적인 명령어 만으로 구성될 수도 있다. 이것을 선택하는 것은 전적으로 프로세서를 설계하는 설계자 마음대로다. 나는 실제 프로세서를 설계하진 않지만 그 초기 단계인 덧셈기를 만드는 데까지 여러분을 이끌어 왔으니 그 보다 복잡한 프로세서를 설계한다는 기분으로 아키텍처를 설계해 보려 한다. 어셈블리어와 기계어의 조합을 설계하는 것이다. 그리고 실제로 어셈블리어로 만들어진 소스코드를 기계어로 번역하는 어셈블러를 제작해 본다. 이 책에서 제작하는 어셈블러는 아주 기초적이고 간단한 것으로 허점과 버그가 많지만 어셈블러가 무엇인지를 이해하는데는 큰 문제가 없다.

사람들은 프로그램을 만들 때 하나의 파일에 모든 소스 코드를 집어 넣어 프로그램을 만들지 않는다. 프로그래머의 뜻에 따라 논리적으로 구분된 여러 개의 소스 파일에 소스 코드들은 분리되어 있다. 이들은 각각 어셈블리어로 변경되고 어셈블러에 의해 오브젝트 파일로 변환되고 최종적으로 링커에 의해 하나로 합쳐진다. 어셈블리어가 어셈블러에 의해 오브젝트 코드로 만들어지는 과정은 이미 이야기 했다. 이제는 이 오브젝트 코드들을 하나로 묶어 최종 바이너리 파일을 만드는 링커의 기본 개념에 대해 여러분에게 이야기 해 주고 싶다. 실제 링커는 최적화 과정등 많은 복잡한 일을 하지만 내가 여러분에게 이야기 해주는 링커는 단순히 오브젝트 파일을 하나로 합치고 필요한 외부 전역변수들이나 함수들의 주소를 재배치해주는 역할 만한다. 역시 링커도 간단한 링커를 직접 만들어 보면서 여러분께 이야기 해 주고 싶다.

프 로세서는 하드웨어적으로 직접 설계하진 못했지만 우리가 설계한 아키텍처를 기반으로 돌아가는 가상 머신은 충분히 만들 수 있다. 그리고 그 가상머신은 생각보다 어렵지도 않다. 가상 머신을 만들고 앞서 링커가 만들어준 바이너리 파일을 가상머신 위에서 직접 동작시켜 봄으로써 우리의 긴 여정을 마무리 하고자 한다.

그리고 약간의 부록이나 여담삼아 우리의 어셈블리어로 번역되는 고급언어 컴파일러에도 도전해 보려 한다. 많은 예외 상황까지 처리할 수 있는 완성도 높은 고급 언어는 아마 힘들지도 모른다. 하지만 최소한의 고급 언어 흉내 정도는 내 볼 수 있지 않을까 하는 생각을 해 본다.

태초에 영과 일의 디지털에서 여러 전자 회로, 소자 등 하드웨어적 이야기를 지나 결국 궁극의 소프트웨어적 이야기에 이르기까지 긴 여정이 될 것이다. 아직 아무런 준비도 되지 않은 상태에서 이런 계획을 세우고 시작한 나도 과연 끝까지 해 낼 수 있을지 의문이다. 하지만 여러분들이 도와준다면 충분히 가능 할 것이다. 우리의 목표는 이야기를 끝내는 것이다. 시작한 이야기는 끝나야 한다.

자. 이제 이야기를 시작해 보자.