- CPU가 매 clock cycle마다 메모리에서 기계어를 읽어서 실행
- CPU는 1clock당 1 인스트럭션을 처리함.
- register에서 Program Counter라고 하는 레지스터가 있는데, 메모리 주소를 가리키는 레지스터이다.
- 그것이 가리키고 있는 메모리 위치에서 인스트럭션을 하나 읽어와서 CPU가 그 인스트럭션을 실행하고, Program Counter라고 하는 레지스터는 다음 주소를 가리키게 된다.
- 여기서 인스트럭션 하나는 4byte이다.
- Program Counter는 다음 인스트럭션의 주소를 가리키기 위해 4가 증가한다.
- 특별한 일이 없으면 PC가 가리키는 다음 인스트럭션을 순차적으로 실행한다.
- CPU가 특정 사용자 프로그램에 있는것을 실행
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만약 사용자 프로그램에 있는 코드가 I/O 디바이스를 사용하기 위해 system call을 건다면?
- system call을 거는 이유는 사용자 프로그램은 I/O로 직접적인 요청을 못함.
- 의도적으로 interrupt line을 세팅함.
- 인터럽트가 걸리면 하던 일을 중단하고 CPU 제어권을 운영체제에게 넘기기 때문에.
- 일반적으로 거는 인터럽트는 하드웨어 인터럽트로써 I/O device가 거는 인터럽트이다.
- 이건 의도적으로 세팅을 해서 부르는데 Trap(소프트웨어 인터럽트)라고 한다.
- 운영체제만이 I/O 디바이스에게 요청할 수 있음.
- 사용자 프로그램이 I/O 요청을 직접적으로 하는 것을 막기 위해 mode bit 존재
mode bit
- 1일때는 사용자 모드로, 사용자 프로그램을 수행하며 I/O 접근을 못하게 막음.
- 0일때는 모니터 모드로 CPU가 운영체제에 넘어가 있을때를 뜻함.
- 무슨일이든 다 할 수 있다.
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system call이나 Exception(예시로 0으로 나누는 것)을 걸면 interrupt line이 자동으로 세팅되고 mode bit가 1에서 0으로 바뀜.
- system call과 Exception으로 거는 interrupt를 소프트웨어 인터럽트(trap)라고 함.
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CPU가 운영체제에게 넘어가서 trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동시킴.
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제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
- 인터럽트 벡터는 특정 인터럽트가 발생해서 실행시켜야 하는 함수들의 주소를 정의해 놓은 일종의 테이블
- 인터럽트 처리 루틴은 각 인터럽트마다 처리해야 하는 실제 코드(커널 함수)
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올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
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- system call로 device controller에게 특정 명령을 지시했으면, CPU는 다른 사용자 프로그램을 실행시킴. 계속해서 메모리랑 일을함.
- 여기서 device controller는 일종의 작은 CPU임.
- 제어 정보를 위해 control register와 status register를 가짐.
- 실제 데이터는 local buffer에 담고, 명령은 제어 레지스터를 통해서 함.
- 메인 CPU의 작업공간인 메인 메모리가 있듯이, device controller들도 작은 작업 공간이 필요한데 이것이 local buffer이다.
- 그리고 만약 특정 하드웨어가 하나 추가되면 메모리에 해당 device driver를 설치해야함.
- 그러다가 I/O 디바이스에서 해당 명령을 다 수행했으면 DMA controller가 처리
- 원래 I/O 가 다 수행이 되면 다 수행했다고 interrupt line에 세팅을 해서 CPU에게 알림.
- 하지만 너무 많은 하드웨어 interrupt가 발생하면 CPU가 효율을 못냄.
- 원래 메모리에는 CPU만 접근할 수 있는데, DMA controller도 접근을 해서 대신 일을 해줌.
- I/O 결과들을 메모리에 복사해줌.
- 그리고 전부 완료한 후 CPU의 interrupt line에 한번만 세팅해줌.
- 여러번 interrupt 당하는 것을 한번으로 처리해서 좀 더 효율적으로 CPU 사용.
- 하지만 여기서 DMA와 CPU가 동시에 메모리 영역에 접근하는 경우
- memory controller가 중재해줌.
- 누가 먼저 접근해서 작업을 수행하게 할 것인지 교통정리를 해주는 것.
- 해당 I/O 작업이 끝나더라도 현재 진행되고 있는 작업을 CPU가 일단 진행함.
- 만약 이 작업을 완료하거나, 할당된 시간을 다 쓴다면 I/O 작업을 시킨 프로그램에게 CPU가 다시 돌아감.
- 여기서 할당된 시간이란?
- CPU가 한 프로그램에게 독점되지 않게 timer가 정해놓은 시간.
- 만약 한 프로그램에서 무한루프가 도는 경우에 timer가 정해놓은 시간을 넘어가게 되면 타이머 인터럽트를 발생시켜 CPU 제어권을 다른 프로그램에게 넘김.
- 여기서 할당된 시간이란?
- 만약 이 작업을 완료하거나, 할당된 시간을 다 쓴다면 I/O 작업을 시킨 프로그램에게 CPU가 다시 돌아감.
- CPU가 특정 인스트럭션을 실행 종료하고 나서 다음 인스트럭션을 실행하기 전에는 항상 interrupt line을 확인해 interrupt가 들어온게 있는지 체크.
- 여기서 인터럽트가 있으면, 지금 하던 작업을 멈추고 PC가 가리키는 다음 인스트럭션을 실행하는 것이 아닌, 누가 쓰고 있던 CPU 제어권이 운영체제에게 넘어간다.
- 운영체제는 인터럽트 벡터로 가서 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 보고 거기로 이동.
- 운영체제는 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
- 그 후, device controller에게 명령을 내리고 CPU는 다음 인스트럭션을 수행.
항상 성장하는 개발자 최동혁입니다.