📌[OS] System Structure & Program Execution 2

📖 01. 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

• 동기식 입출력이라는 것은 어떤 프로세스가 입출력 요청을 했다 -> 본인이 하는것이 아니라 운영체제를 통해 해야한다. -> 사용자 프로세스는 운영체제한테 입출력 요청을 한다. -> 입출력은 오랜 시간이 걸리며 수행된다. -> 수행이 되는 동안에 입출력을 요청한 프로세스가 입출력이 끝날 때까지 아무것도 하지 않으면 그것은 동기식 입출력이다.

• 사용자 프로세스가 입출력 요청을 한후 입출력이 진행되는 동안에 그 프로세스가 CPU를 잡아서 instruction을 수행하면 그것은 비 동기식 입출력이다.
  

📖 02. DMA (Direct Memory Access)

• 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

• local buffer에 일정량의 데이터가 쌓여 블럭 혹은 페이지가 되면 interrupt를 걸게된다.

📖 03. 서로 다른 입출력 명령어

• I/O를 수행하는 special instruction에 의해 : 기본은 I/O에 대해 special instruction이 존재한다.
• Memory Mapped I/O에 의해 : Memory 주소에 I/O를 매치시킨다.

• I/O를 할 수 있는 방법이 2가지가 존재한다.

• 좌측에 있는 그림이 일반적인 I/O 그림이다. CPU에서 읽을 수 있는 instruction에는 메모리에 접근할 수 있는 instruction과 I/O장치를 접근하는 instruction이 존재한다. CPU에서 메모리를 접근하는 instruction을 loadStore이라고 부른다. Device에 접근하기 위해 loadStore과 별개의 instruction이 존재한다. device도 주소가 있어서 I/O접근하는 instruction을 실행하게 되면 device를 접근하게 된다. -> Memory Mapped I/O라고 부른다.

• I/O device에다가 메모리 주소를 매겨서 메모리 접근하는 instruction을 통해서 I/O에 접근 할 수 있다.

📖 04. 저장장치 계층 구조

• DRAM으로 구성된 Main Memory
• 위로 갈수로 빠르지만 비싸고 용량이 작다.
• 초록색은 전원이 나가면 데이터가 사라지는 휘발성 매체 + CPU가 직접 접근 가능(byte 단위이기 때문에), 빨간색은 접근 불가
• caching : copying informagion into faster storage system
• CPU가 직접 접근 할 수 있는 저장장치를 Primary라고 부른다.
• CPU가 직접 접근해서 처리하지 못하는 것을 Secondary라고 한다.
• CUP가 직접 접근하기 위해서는 byte단위만 가능하다.
  -> DRAM같은 경우 byte단위로 매겨서 접근이 가능하기 때문에 그 자리에서 CPU가 읽어서 실행할 수 있다.
• 하드디스크의 경우 sector단위이기 때문에 바로 접근하지 못한다.

📖 05. 프로그램의 실행 (메모리 load)

• 프로그램은 파일 형태로 File system에 저장된다. -> 실행하게 되면 메모리에 올라가고 프로세스가 된다.

• 물리적인 메모리에 바로 올라가는 것이 아니라 중간에 Virtual Memory에 올라가게 된다.

• 어떤 프로그램을 실행시키게 되면 그 프로그램만의 독자적인 주소 공간(address space)이 virtual memory에 생기게 된다. -> 0번지 부터 시작하는 독자적인 메모리 주소 공간! -> 이러한 주소 공간은 code, data, stack영역으로 나뉘게 된다.

• code : CPU가 실행할 기계어 코드

• data : 전역변수, 자료구조 등

• stack : 함수
  -> virtual memory에 올라가 있는 모든 memory를 Physical memory에 통째로 올리는 것이 아니라 당장 필요한 부분만 올린다.(통째로 올리면 메모리 낭비가 된다.) -> 사용이 안되면 메모리에서 쫓아낸다. -> 경우에 따라 프로그램이 종료되기 전에 보관하고 있어야 하는 부분이 필요하다. -> 그런 부분은 디스크의 Swap area에 내려놓게 된다.

• Swap area는 physical memory의 연장부분이고(전원이 나가게 되면 virtual, physical memory메모리가 사라지므로 의미없어진다) File system은 비휘발성 저장공간으로 같은 하드디스크지만 의미하는 바가 다르다.

• Virtual Memory는 각 프로그램마다 독자적으로 가지고 있는 주소공간을 의미한다.

• vitual memory의 주소를 physical memory에 주소로 옮겨주는 address translation해주는 H.W가 존재한다.

📖 06. 커널 주소 공간의 내용

• PCB(Process Controll Block) : 프로세스가 실행 될 때마다 커널 data영역에 자료구조가 생성되어 관리 할 수 있도록 한다.
  -> 운영체제의 역할은 관리이기 때문! 상태를 알아야 함.

• 커널은 함수 구조로 코드가 짜져있기 때문에 함수를 호출하거나 리턴할 때 stack영역을 사용해야 한다. 운영체제 코드는 여러 사용자 프로그램이 요청을 해서 어떤 사용자 프로그램이 어떤 함수를 호출했는지 유지해야한다.
  -> 따라서 커널 스택을 따로 유지해야 한다.

📖 07. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

[출처] 반효경 교수님 강의