27｜프로그램 설계와 언어 번역·모듈화·컴파일러·로더

요구사항을 곧바로 코드로 옮기면 기능 사이의 관계가 복잡해지고 수정 범위도 커질 수 있습니다. 프로그램을 구현하기 전에는 데이터의 구조, 모듈의 책임, 사용자와 시스템 사이의 인터페이스, 처리 절차를 먼저 설계해야 합니다.

이 장에서는 프로그램 설계와 언어 번역의 핵심을 정리합니다. 자료·구조·인터페이스·절차 설계와 N-S 차트, 모듈화의 응집도·결합도를 살펴본 뒤 원시 프로그램이 전처리·컴파일·어셈블·링크·로딩을 거쳐 실행되는 과정과 컴파일러·인터프리터·어셈블러·크로스 컴파일러의 차이를 연결합니다.

프로그램 설계는 무엇을 결정하는 과정인가?

프로그램 설계(Program Design)는 요구사항 분석 결과를 바탕으로 프로그램을 실제로 구현할 수 있도록 데이터 구조, 모듈의 구성과 관계, 외부 인터페이스, 알고리즘과 처리 절차를 구체화하는 과정입니다. 설계 결과는 구현·시험·유지보수의 기준이 됩니다.

설계 영역	핵심 질문	주요 산출물·예
자료 설계 Data Design	어떤 데이터를 어떤 형식과 구조로 저장할 것인가?	레코드, 배열, 리스트, 파일 구조, 데이터 모델
구조 설계 Architecture Design	시스템을 어떤 모듈로 나누고 모듈 사이를 어떻게 연결할 것인가?	모듈 계층, 구성 요소 관계, 호출 구조
인터페이스 설계 Interface Design	사용자·외부 시스템·모듈 사이에서 무엇을 주고받을 것인가?	화면, API, 매개변수, 입출력 규약
절차 설계 Procedural Design	각 기능을 어떤 알고리즘과 순서로 수행할 것인가?	의사코드, 순서도, N-S 차트, 처리 명세
N-S 차트 Nassi–Shneiderman Chart	순차·선택·반복 구조를 화살표 없이 어떻게 표현할 것인가?	중첩된 사각형으로 구성된 구조적 도표

N-S 차트는 제어 구조를 어떻게 표현하는가?

N-S 차트는 프로그램의 논리를 사각형 블록의 포함 관계로 나타냅니다. 화살표보다 블록의 위아래 순서와 중첩을 사용하므로 구조적 프로그래밍의 순차·선택·반복을 명확하게 표현할 수 있습니다.

제어 구조	표현 방식	간단한 예
순차	처리 블록을 위에서 아래로 차례로 배치	입력 → 계산 → 출력
선택	하나의 블록을 조건에 따라 두 개 이상의 영역으로 분할	점수 ≥ 60이면 합격, 아니면 불합격
반복	조건과 반복할 처리 블록을 하나의 영역으로 묶음	데이터가 남아 있는 동안 처리 반복

모듈화는 왜 필요한가?

모듈화(Modularity)는 하나의 큰 프로그램을 명확한 책임을 가진 작은 단위로 분리하는 것입니다. 모듈은 입력을 받아 하나의 기능이나 관련된 기능 집합을 수행하고 결과를 제공하는 독립적인 프로그램 구성 단위입니다.

• 복잡한 문제를 작은 단위로 나누어 이해하기 쉬워집니다.
• 모듈별로 구현·시험·수정할 수 있어 오류 위치를 찾기 쉽습니다.
• 검증된 모듈을 다른 프로그램이나 기능에서 재사용할 수 있습니다.
• 여러 개발자가 모듈 단위로 작업을 분담하기 쉽습니다.
• 변경이 다른 모듈에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.

응집도와 결합도는 모듈 독립성을 어떻게 나타내는가?

모듈 독립성은 모듈이 하나의 책임에 집중하면서 다른 모듈의 내부 구현에 적게 의존하는 정도입니다. 이를 판단할 때 모듈 내부의 관계를 나타내는 응집도와 모듈 사이의 의존 관계를 나타내는 결합도를 함께 봅니다.

비교 항목	응집도 Cohesion	결합도 Coupling
관찰 대상	하나의 모듈 내부 요소 사이의 관련성	서로 다른 모듈 사이의 의존성
좋은 방향	높을수록 좋음	낮을수록 좋음
좋은 상태	하나의 명확한 기능과 책임에 집중	필요한 정보만 단순한 인터페이스로 교환
나쁜 상태	관련 없는 기능이 한 모듈에 섞임	다른 모듈의 내부 데이터와 처리 방식에 강하게 의존
기대 효과	이해·시험·재사용·변경이 쉬움	변경 전파와 오류 영향을 줄임

원시 프로그램은 어떤 과정을 거쳐 실행되는가?

언어 번역 과정은 ‘원시 프로그램 → 컴파일러 → 목적 프로그램 → 링커 → 로드 모듈 → 로더 → 실행’으로 단순화할 수 있습니다. 다만, 실제 C 계열 도구 체인에서는 전처리·컴파일·어셈블·링크 단계가 순서대로 진행되고, 운영체제의 로더와 런타임 링커가 실행 이미지를 기억장치에 구성합니다.

단계	입력	주요 처리	대표 출력
전처리	원시 코드와 전처리 지시문	헤더 포함, 매크로 확장, 조건부 컴파일 등의 사전 처리	확장된 원시 코드
컴파일	고급 언어 원시 코드	구문·의미 분석, 최적화, 저수준 코드 생성	어셈블리 코드 또는 중간 코드
어셈블	어셈블리 코드	기계 명령과 목적 파일 형식으로 변환	재배치 가능한 목적 파일
링크	목적 파일과 라이브러리	외부 심벌 해결, 단면 결합, 주소 재배치	실행 파일 또는 로드 모듈
로딩	실행 파일과 공유 라이브러리	기억장치 배치, 필요한 재배치·동적 연결, 실행 환경 구성	실행 중인 프로세스 이미지
실행	기억장치에 적재된 프로그램	시작 지점부터 명령 수행	프로그램 결과

언어 번역 과정의 용어는 어떻게 구분하는가?

용어	의미	실행 가능 여부
원시 프로그램 Source Program	프로그래머가 고급 언어나 어셈블리어로 작성한 번역 전 프로그램	그 자체로 CPU가 직접 실행하지 못하는 경우가 일반적
목적 프로그램·목적 파일 Object Program·Object File	번역 결과로 생성된 기계어 코드·데이터·심벌·재배치 정보를 포함하는 파일	보통 다른 목적 파일·라이브러리와 링크하기 전에는 직접 실행할 수 없음
라이브러리 Library	여러 프로그램에서 재사용하도록 미리 작성·번역된 함수와 코드의 집합	독립 실행보다 다른 프로그램에 연결하여 사용
로드 모듈·실행 파일 Load Module·Executable	링커가 목적 파일과 라이브러리를 결합하여 로더가 적재할 수 있게 만든 프로그램	운영체제와 형식이 지원하면 실행 가능
프로세스 이미지	실행 파일의 코드·데이터·스택·힙·공유 라이브러리가 기억장치에 배치된 상태	CPU가 실제로 실행하는 상태

링커는 목적 파일을 어떻게 실행 파일로 만드는가?

링커(Linker) 또는 링키지 에디터(Linkage Editor)는 독립적으로 만들어진 여러 목적 파일과 라이브러리를 결합하여 하나의 실행 파일이나 로드 모듈을 만듭니다.

링커의 기능	설명	예
심벌 해결	한 목적 파일에서 참조한 함수·변수의 정의를 다른 목적 파일이나 라이브러리에서 찾음	main.o의 calculate()를 calc.o에서 찾음
단면 결합	각 목적 파일의 코드·데이터 영역을 실행 파일의 영역으로 합침	여러 .text와 .data 영역 결합
재배치	최종 배치 주소에 맞게 코드와 데이터의 주소 참조를 수정	함수와 전역 변수의 최종 주소 반영
라이브러리 연결	필요한 라이브러리 코드 또는 공유 라이브러리 참조를 포함	표준 입출력 함수 연결
실행 파일 생성	운영체제가 적재할 수 있는 파일 형식과 진입점을 구성	ELF·PE 형식의 실행 파일

로더는 실행 파일을 어떻게 기억장치에 배치하는가?

로더(Loader)는 보조기억장치의 실행 파일을 주기억장치의 프로세스 주소 공간에 배치하고 실행할 수 있는 상태를 만듭니다. 로더의 일반 기능은 할당·연결·재배치·적재로 다음과 같습니다.

로더 관련 기능	의미
할당 Allocation	프로그램의 코드와 데이터가 들어갈 기억장치 영역을 확보하고 배치 주소를 정함
연결 Linking	외부 심벌과 다른 모듈 또는 공유 라이브러리 사이의 참조를 연결함
재배치 Relocation	실제 적재 주소에 맞도록 주소 의존적인 코드와 데이터를 수정함
적재 Loading	기계 명령과 데이터를 기억장치에 물리적·논리적으로 배치함
실행 시작	프로그램의 진입점에 제어를 넘겨 실행을 시작함

언어 번역기에는 어떤 종류가 있는가?

종류	입력	주요 기능	대표 출력·결과
컴파일러 Compiler	고급 언어 원시 프로그램	프로그램 전체 또는 큰 번역 단위를 분석하고 저수준 코드로 변환	목적 코드·어셈블리 코드·실행 파일
인터프리터 Interpreter	원시 코드 또는 중간 코드	명령을 읽어 가며 번역·실행	전통적 분류에서는 독립 목적 프로그램을 만들지 않고 실행 결과를 생성
어셈블러 Assembler	어셈블리 프로그램	니모닉과 심벌을 기계 명령·목적 파일로 변환	목적 파일
크로스 컴파일러 Cross Compiler	호스트에서 작성한 원시 프로그램	호스트와 다른 타깃 환경용 코드를 생성	타깃용 목적 파일·실행 파일
링키지 에디터 Linkage Editor	여러 목적 파일과 라이브러리	심벌 해결·재배치·결합	로드 모듈·실행 파일
전처리기 Preprocessor	전처리 지시문이 포함된 원시 코드	매크로 확장·파일 포함·조건부 컴파일 등의 사전 변환	확장된 원시 프로그램

컴파일러와 인터프리터는 무엇이 다른가?

비교 항목	컴파일러	인터프리터
번역 시점	실행 전에 프로그램을 미리 번역	실행 과정에서 명령을 읽으며 번역
번역 단위	프로그램 전체 또는 큰 단위	문장·명령 또는 실행 가능한 중간 단위
목적 프로그램	일반적으로 목적 코드나 실행 파일을 생성	전통적 시험 분류에서는 별도 목적 프로그램을 생성하지 않음
반복 실행	번역된 결과를 사용하므로 일반적으로 빠름	실행할 때 번역 과정이 반복되어 상대적으로 느릴 수 있음
오류 확인	번역 단계에서 여러 오류를 함께 보고할 수 있음	실행한 지점의 오류를 즉시 확인하기 쉬움
배포 요소	타깃용 실행 파일과 필요한 라이브러리	인터프리터 또는 실행 환경과 원시·중간 코드
대표적인 교재 예	C, FORTRAN, COBOL, Pascal	BASIC, LISP

크로스 컴파일러는 어떤 기계의 코드를 만드는가?

크로스 컴파일러는 컴파일러가 실행되는 호스트 시스템과 생성된 프로그램이 실행될 타깃 시스템이 서로 다른 컴파일러입니다. 개발 도구를 직접 실행하기 어려운 임베디드 장치·마이크로컨트롤러·모바일 장치용 프로그램을 개발할 때 활용합니다.

구분	의미	예
호스트	컴파일러가 실제로 실행되는 개발 컴퓨터	x86-64 Windows 또는 Linux PC
타깃	생성된 목적 코드와 실행 파일이 동작할 시스템	ARM 기반 임베디드 보드
출력	타깃의 명령어 집합·ABI·운영체제 형식에 맞춘 코드	ARM ELF 실행 파일

전처리기는 컴파일 전에 무엇을 처리하는가?

전처리기(Preprocessor)는 컴파일러가 본격적으로 구문과 의미를 분석하기 전에 원시 코드의 일부를 확장하거나 선택합니다. 다음은 C 계열 전처리 지시문의 대표적인 형태입니다.

#include <stdio.h>
#define MAX_COUNT 100

#if MAX_COUNT > 50
const char *message = "large";
#else
const char *message = "small";
#endif

• #include는 다른 파일의 내용을 포함합니다.
• #define은 매크로 이름과 치환 내용을 정의합니다.
• #if·#else·#endif는 조건에 따라 컴파일할 코드 영역을 선택합니다.
• 전처리 결과는 컴파일러가 분석할 확장된 원시 프로그램이 됩니다.

하나의 C 프로그램을 단계별로 번역하면 어떻게 되는가?

다음 명령은 GCC 계열 도구에서 각 번역 단계의 중간 결과를 확인하는 예입니다. 시험에서 명령어 자체를 암기할 필요는 없지만 각 파일이 어느 단계에서 만들어지는지 이해하는 데 도움이 됩니다.

gcc -E main.c -o main.i    # 전처리 결과
gcc -S main.i -o main.s    # 어셈블리 코드
gcc -c main.s -o main.o    # 목적 파일
gcc main.o util.o -o app   # 링크하여 실행 파일 생성

파일	단계	의미
main.c	원시 프로그램	프로그래머가 작성한 C 코드
main.i	전처리 결과	헤더와 매크로 등이 확장된 원시 코드
main.s	컴파일 결과	타깃 기계의 어셈블리 코드
main.o	어셈블 결과	링커가 입력으로 사용하는 목적 파일
app	링크 결과	운영체제가 적재할 수 있는 실행 파일

시험에서 자주 혼동되는 개념

이번 장 핵심 요약

1. 프로그램 설계는 요구사항을 자료 구조·모듈 구조·인터페이스·처리 절차로 구체화합니다.
2. 자료 설계는 데이터의 구조를, 구조 설계는 모듈의 분할과 관계를 결정합니다.
3. 인터페이스 설계는 사용자·시스템·모듈 사이의 입출력 규약을 정의합니다.
4. 절차 설계는 기능을 수행하는 알고리즘과 처리 순서를 정의합니다.
5. N-S 차트는 순차·선택·반복을 중첩된 사각형으로 나타냅니다.
6. 모듈화는 큰 프로그램을 명확한 책임을 가진 작은 단위로 나눕니다.
7. 응집도는 모듈 내부의 관련성이고 높을수록 좋습니다.
8. 결합도는 모듈 사이의 의존성이고 낮을수록 좋습니다.
9. 원시 프로그램은 프로그래머가 작성한 번역 전 프로그램입니다.
10. 목적 파일은 기계어 코드와 심벌·재배치 정보를 가진 중간 결과일 수 있습니다.
11. 링커는 목적 파일과 라이브러리를 결합하고 심벌을 해결해 실행 파일을 만듭니다.
12. 로더는 실행 파일을 기억장치에 배치하고 실행을 시작합니다.
13. 로더의 일반 기능은 할당·연결·재배치·적재로 정리할 수 있습니다.
14. 컴파일러는 고급 언어를 목적 코드나 저수준 코드로 번역합니다.
15. 인터프리터는 명령을 읽어 가며 번역과 실행을 진행합니다.
16. 어셈블러는 어셈블리어를 기계어 목적 파일로 번역합니다.
17. 크로스 컴파일러는 호스트와 다른 타깃 환경용 코드를 생성합니다.
18. 링키지 에디터는 여러 목적 모듈과 라이브러리를 연결합니다.
19. 전처리기는 매크로 확장·파일 포함·조건부 컴파일 등을 컴파일 전에 처리합니다.
20. 좋은 모듈 설계와 정확한 번역 단계의 이해는 프로그램의 구현·시험·유지보수를 돕습니다.

복습 문제

요구사항을 자료 구조·모듈·인터페이스·알고리즘으로 구체화하는 과정은?

프로그램 설계입니다.

모듈 내부 요소 사이의 기능적 관련 정도는?

응집도입니다.

두 모듈 사이의 상호 의존 정도는?

결합도입니다.

효과적인 모듈 설계에서 응집도와 결합도는 각각 어떻게 해야 하는가?

응집도는 높이고 결합도는 낮춰야 합니다.

순차·선택·반복 구조를 중첩된 사각형으로 표현하는 도표는?

N-S 차트 또는 나시–슈나이더만 차트입니다.

프로그래머가 고급 언어나 어셈블리어로 작성한 번역 전 프로그램은?

원시 프로그램입니다.

여러 목적 파일과 라이브러리를 결합해 로드 모듈을 만드는 도구는?

링커 또는 링키지 에디터입니다.

실행 파일을 주기억장치에 배치하고 실행을 준비하는 시스템 프로그램은?

로더입니다.

로더의 일반 기능 네 가지는?

할당, 연결, 재배치, 적재입니다.

고급 언어 프로그램을 미리 번역하여 목적 코드를 생성하는 번역기는?

컴파일러입니다.

명령 단위로 번역과 실행을 진행하는 번역기는?

인터프리터입니다.

어셈블리어를 기계어로 번역하는 프로그램은?

어셈블러입니다.

현재 컴퓨터가 아니라 다른 기종용 기계어를 생성하는 컴파일러는?

크로스 컴파일러입니다.

주석 처리·매크로 확장·조건부 컴파일 등을 컴파일 전에 수행하는 프로그램은?

전처리기(Preprocessor)입니다.

컴파일러·인터프리터 설명 중 전통적인 시험 기준에서 목적 프로그램을 생성하지 않는 것은?

인터프리터입니다.

원시 프로그램 이후의 기본 수행 순서는?

원시 프로그램 → 컴파일러 → 목적 프로그램 → 링커 → 로드 모듈 → 로더 → 실행입니다.

절대 로더에서 적재를 담당하는 주체는?

로더입니다.

절대 로더에서 재배치를 담당하는 주체는?

어셈블러입니다.

목적 파일에서 참조한 함수의 정의를 다른 파일에서 찾아 연결하는 작업은?

심벌 해결 또는 외부 참조 해결입니다.