📌[OS] System Structure & Program Execution 1

📖 01. 컴퓨터 시스템 구조

• 인풋 : I/O -> CPU, 아웃풋 : CPU -> I/O

• memory는 CPU의 작업공간. 또한 CPU는 매 clock 사이클마다 메모리에서 instruction(기계어)를 하나씩 읽어서 실행한다. + 인터럽트 라인을 확인한다.
  -> CPU는 이것밖에 안함!

• registers : CPU안에 존재하는 작은 정보 저장 공간

• modebit : CPU안에 존재하며 CPU에서 실행되고 있는 것이 OS인지 사용자 프로그램인지 알려줌

• Interrupt line : CPU는 명령어를 실행하고 interrput가 들어왔는지 확인하기 위한 라인. I/O와 소통하기 위해서 필요하다. (CPU는 메모리의 명령어만 읽고 실행하기 때문이다.)

• device controller : 각 디바이스마다 붙어있는 작은 CPU
  -> 각 디바이스의 내부를 컨트롤한다. (Main CPU가 통제하는 것이 아님!)

• local buffer : device controller의 작업공간

• 무한루프를 도는 프로그램에 CPU가 쓰일 경우가 존재 할 것이다.
  -> CPU는 다른 프로그램에도 왔다갔다 해야하는데(time sharing) 무한루프에 의해 빠져 나오지 못하는 경우가 존재 할 수 있다.
  -> 따라서 timer라는 H.W를 두고 있다.
  -> timer : 특정 프로그램이 CPU의 독점을 막기 위해 존재한다.
  -> 컴퓨터를 부팅했을 때 OS에 CPU가 쓰이게 될 것이다
  -> 이후 사용자 프로그램에 CPU를 넘길 때 OS는 timer에 어떠한 값을 셋팅한 후에 넘긴다.
  -> 사용자 프로그램은 셋팅된 시간이 되면 timer가 CPU에 interrupt를 건다.
  -> CPU는 명령어를 확인하고 interrupt line을 확인한다.
  -> CPU는 interrupt가 걸려있으면 하던일을 중단하고 사용자 프로그램에 있었던 제어권을 OS에게 넘긴다.
  -> OS는 timer를 셋팅해서 다른 프로그램에게 CPU제어권을 넘긴다.
  -> 다음이 반복된다.

• 프로그램이 종료되면 프로그램은 CPU를 자동 반납한다.

• 프로그램에서 I/O와의 소통이 필요하면 자진해서 OS에게 CPU제어권을 넘긴다. (I/O 작업은 OS만 할 수 있기 때문이다.)
  -> OS는 다른 프로그램에게 CPU 제어권을 넘긴다.
  -> 제어권을 넘기는 방법은 Trap이며 이를 통해 CPU가 확인하도록 한다.

• 그렇다면 I/O의 요청을 한 프로그램은 언제까지 기다리냐?
  -> I/O에서 요청한 작업(키보드 입력)이 끝나게 되면 그 데이터가 local buffer에 저장되고 controller가 CUP에게 interrupt를 건다.
  -> interrupt가 걸리면 자동적으로 CPU의 제어권은 OS로 넘어간다.
  -> OS는 interrupt가 왜 들어왔는지 확인 후에 요청한 작업(키보드 입력)의 buffer를 memory공간에 copy를 해준다.
  -> 보통은 interrupt 되기 전 프로그램에게 CPU제어권을 다시 준다. (timer의 시간이 남아있다면) 혹은 타이머의 시간이 끝났다면 interrupt 받았던 프로그램으로 제어권이 넘어간다.

• CPU는 main Memory와 I/O의 local buffer에 접근가능하고 controller(작은 CPU)는 local buffer만 접근가능하다.

• CPU는 수많은 Interrupt를 당하는데 그걸 해소하는 방법이 DMA controller
  -> 원래는 메모리를 접근 할 수 있는 방법은 CPU뿐이다. 그러나 DMA도 메모리 접근이 가능하다.
  -> 이때, CPU와 DMA가 같은 메모리에 접근하게 되면 문제가 발생 할 수 있는데 그걸 memory controller가 중재해준다.
  -> 그렇다면, DMA의 역할은? local buffer에 존재하는 데이터를 직접 Memory로 copy해주는 역할을 한다.
  -> copy가 끝나면 CPU에 Interrupt를 걸어서 알려준다. (수많은 Interrupt를 한번만 걸게해줌!)

• CPU는 register중에 프로그램 카운터 라는 다음 명령어가 실행되는 메모리 주소를 가지고 있다.
  -> CPU는 프로그램 카운터를 보고 명령어를 실행한다.

• cf. Device Driver가 실제로 헤더를 움직여 파일을 읽는 명령을 하는것이 아니라 Disk controller(device controller)에 포함된 펌웨어의 내부 코드에 따라 명령을 수행한다.

• 인터럽트 서비스 루틴으로 점프 할 수 있게끔 알려주는 것이 인터럽트 벡터이다. (인터럽트 벡터는 인터럽트 처리 루틴 주소를 가지고 있다)

• 사용자 프로그램에서 할 수 없는 일(커널메모리 접근, 0으로 나누기 등)을 하게 되면 자동적으로 인터럽트가 걸리게 되고 커널에 제어권이 넘어가게 된다. (Exception 상황) 보통은 종료시킨다.

• (수정)
  처음에 컴퓨터를 키게되면 OS가 CPU를 가지고 있다.
  CPU는 타이머 시간을 설정하고 다른 프로그램에 CPU를 준다.
  CPU는 주어진 시간동안 메모리에 올라온 프로그램의 instruction과 인터럽트 라인을 확인한다.
  타이머 시간이 되면 타이머는 인터럽트를 건다.
  인터럽트 라인을 확인한 CPU는 OS로 넘어가게 된다.
  이렇게 반복이 되는 도중 IO를 필요로 하는 instruction이 실행되면 트랩을 건다.
  인터럽트 라인을 확인한 CPU는 device controller에게 명령을 한 후 원래 본인의 일을 한다.
  IO의 작업이 완료되면 device controller는 인터럽트를 건다.
  인터럽트를 걸리면 자동적으로 CPU의 제어권은 OS로 넘어가게 된다.
  OS는 인터럽트가 들어온 이유를 확인한 후 buffer에 있는 데이터를 memory공간에 copy한다.
  보통 원래 instruction이 수행되던 프로그램에 CPU제어권이 넘어가게된다.
  다시 CPU는 본래의 일을 한다.

📖 02. Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요

• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation지원
  -> 1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 실행
  -> 0 모니터(커널) 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

📖 03. 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
  • CUP를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
• 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

📖 04. Device Controller

• I/O device controller

  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐

• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남

• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 사실 알림

• device driver(장치구동기)
  : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> software
  각 디바이스를 처리하기 위해서 그 디바이스의 인터페이스가 존재하는데 거기에 맞게 접근 할 수 있도록 해주는 소프트웨이어이다. (운영체제 코드이다)

• device controller(장치제어기)
  : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware

• 제어 레지스터를 통해 CPU가 I/O controller에게 명령을 내린다.

📖 05. 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
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김

• 사용자 프로그램이 I/O의 입출력이 필요한 경우가 있다.
  -> 사용자 프로그램이 운영체제에 요구하기 위해서 직접 interrupt 건다. -> mode bit이 0이 되고 os는 인터럽트를 확인해서 I/O가 실행 할 수 있도록 한다. (system call)

📖 06. 인터럽트(Interrupt)

• 인터럽트

  • 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

• Interrupt (넓은 의미)

  • Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시키 인터럽트
  • Trap (소프트웨어 인터럽트)
    -> Exception : 프로그램이 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

• 요청을 할 경우 소프트웨어 인터럽트를 I/O가 끝났다면 하드웨어 인터럽트를 할 것이다.

• Exception
  -> 사용자 프로그램에서 0으로 나눈거나 커널에 직접 접근하는 것처럼 해서는 안되는 것은 CPU instruction set에서 막아놨다. 따라서 해서는 안되는 것을 했다면 인터럽트 라인이 자동으로 설정되고 CPU 제어권이 자동으로 커널에 넘어가게 된다.(mode bit 0으로 설정된 후)

• 인터럽트 종류가 굉장히 많다. -> 키보드 인터럽트, 타이머 인터럽트 등 -> 인터럽트마다 운영체제가 해야 할 일이 다르다. -> 키보드 인터럽트가 들어왔으면 키보드 buffer에 있는 데이터를 memory로 copy해야하고 키보드 I/O를 요청했던 프로그램에게 CPU를 돌려준다. 혹은 타이머가 인터럽트를 걸었다면 CPU를 뺏어서 다른 프로그램에게 넘겨야 한다. -> 각 각의 인터럽트마다 해야할 일이 운영체제 코드에 정의가 되어있다. 즉, 운영체제를 누군가가 만들면서 어떤 인터럽트가 들어오면 무슨 일을 해라. -> 인터럽트마다 처리해야 할 실제 코드를 '인터럽트 처리 루틴'이라고 한다. -> 그럼 어떤 함수로 가야하냐? -> '인터럽트 벡터'에 적혀있다.

• CPU는 기계어(0과1로 이루어진, instruction마다 다르면 보통은 4바이트)가 무슨 일을 해야하는지 기계어 set을 가지고 있다. CPU는 프로그램 카운터가 가르키고 있는 주소의 기계어를 실행하기만 한다.
  예를들어 키보드 입력에 의해 인터럽트 라인 3번에 인터럽트가 걸렸다고 한다면 인터럽트 벡터(번호, 인터럽트 처리루틴 으로 이루어짐)에 Mapping시켜서 3번에 해당하는 인터럽트 처리 루틴을 실행한다.

📖 07. 시스템 콜 (System Call)

• 시스템콜
  • 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

[출처] 반효경 교수님 강의