System Structure & Program Execution

• Input : I/O device에 있는 data 가 computer 안으로 들어가는 것
• Output : 컴퓨터에서 처리하고 다시 I/O device로 내보내는 것
• Memory : CPU의 작업 공간
• Disk : input device와 output device 역할을 둘 다 함
• device controller : device를 전담하는 CPU의 기능을 하는 것.
• local buffer : I/O device들의 작업 공간
• registers = memory보다 작으면서 정보를 저장할 수 있는 작은 공간
• mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지 구분해주는 것
• CPU는 I/O device에 직접 접근하지 않고 memory에 접근하는 instruction만 실행
• timer : CPU의 time sharing을 구현하기 위해
• DMA controller : CPU가 실행중일 때 중간에 들어오는 interrupt를 memory에 저장

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
• Mode bit을 통해 하드웨어 적으로 두 가지 모드의 operation 지원
  • 1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
  • 0 모니터 모드* : OS 코드 수행
  • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 '특권명령'으로 규정
  • Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
  • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅
• 모니터 모드 (= 커널 모드, 시스템 모드)

Timer

• 타이머
  • 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
  • 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
  • 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
  • CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
• 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
• device driver (장치구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> software
  
• device controller (장치제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware
  

입출력(I/O)의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • 시스템 콜(system call)
    • 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
    • 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O요청인지 확인 후 I/O 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김

인터럽트 (Interrupt)

• 인터럽트
  • 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다
  • 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨
• Interrupt (넓은 의미)
  • Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Trap (소프트웨어 인터럽트)
    • Exception : 프로그램 오류를 범한 경우
    • System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 관련 용어
  • 인터럽트 벡터
    • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴 (=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
    • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

동기식 입출력과 비동기식 입출력

[ 동기식 입출력 (synchronous I/O) ]

• I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
• 구현 방법 1
  • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
  • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
• 구현 방법 2
  • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
  • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
  • 다른 프로그램에게 CPU를 줌

[ 비동기식 입출력 (asynchronous I/O) ]

• I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
• 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌

DMA (Direct Memory Access)

• 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
• CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
• 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

서로 다른 입출력 명령어

• I/O를 수행하는 special instruction에 의해
  • Memory, I/O 나눠짐
• Memory Mapped I/O에 의해
  • Memory, I/O 안나눠짐

저장장치 계층 구조

Primary : Registers > Cache Memory > Main Memory (휘발성)

Secondary : Magnetic Disk > Optical Disk > Magnetic Tape (비휘발성)

프로그램의 실행 (메모리 load)

• File system
• Virtual memory : 프로세스의 Address space ( code, data, stack)
• Physical memory

커널 주소 공간의 내용

• code
  • 커널 코드
    • 시스템콜, 인터럽트 처리 코드
    • 자원 관리를 위한 코드
    • 편리한 서비스 제공을 위한 코드
• data
• stack

사용자 프로그램이 사용하는 함수

[ 함수 (function) ]

• 사용자 정의 함수
  • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
• 라이브러리 함수
  • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
  • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다
• 커널 함수
  • 운영체제 프로그램의 함수
  • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜