컴퓨터 시스템 구조

🦕 시스템 : 범용 버스를 통해 데이터를 교환하는 여러 장치로 구성된 범용 컴퓨터

목차! 아래 키워드만 보고 차근차근 설명할 수 있으면 이 부분 공부는 성공일듯!!!

• CPU
  • register
  • mode bit
  • interrupt line
• Memory
• Timer
• I/O
  • Device Controller
  • Local Buffer
  • Interrupt / System Call
• DMA Controller

CPU

• 메모리에서 instruction 읽어서 수행하는 일만 한다.
  • register : CPU의 연산 결과를 저장하는 작고 빠른 메모리 같은 것.
    • Program Counter : 메모리 주소를 가리키는 register
  • mode bit : 현재 진행중인 프로그램이 OS 인지 사용자 프로그램인지를 구분하는 보호장치. (OS 면 모든 instruction 을 실행할 수 있게 권한을 더 줄려고)
  • interrupt line : interrupt 신호를 처리하기 위한 하드웨어.

• Memory : CPU 의 작업 공간. OS Kernel 이 항상 상주하고 있고, 실행중인 사용자 프로그램이 올라온다.

🦕 메모리 (DRAM)

• CPU 에서 실행할 명령어들을 저장하는 공간.
• 휘발성!

• 명령어
  • load : 메모리에서 CPU register 로 실행할 명령어를 이동 (적재)
  • store : CPU register 에서 저장할 값을 메모리로 이동 (저장)
  • 명시적으로 명령어를 날리지 않아도, 프로그램을 이전 상태부터 시작하기 위해서 프로그램 카운터에 저장된 값을 CPU 가 자동으로 적재하기도 한다.

🦕 EEPROM

• 컴퓨터가 켜졌을 때, 가장 먼저 실행되는 부트스트랩 프로그램을 유지 하기 위해 사용되는 읽기 전용 메모리 (DRAM 은 휘발성이라 유지가 안됨.)
• 펌웨어 같은 쓰기 명령은 많이 안들어가고 읽기 명령만 들어가는 것도 사용한다.

Mode Bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 인해서 다른 프로그램이나 OS 에 피해가 가지 않도록 하는 보호 장치
• 1 : 사용자 모드 - 일반 명령만 수행한다.
• 0 : 커널 모드 (== 모니터 모드, 시스템 모드) - 모든 명령을 수행할 수 있다. (특권 명령)

• Interrupt / Exception 가 발생하면 0 으로 바꿔서 OS 에 CPU 넘기고,
  • Exception : 사용자 프로그램이 권한이 없는 명령을 실행한 것.
• 사용자 프로그램에 넘기기 전에 1로 세팅.

Interrupt Line

• interrupt 가 뭔디?????

I/O 작업은 오래걸리기 때문에 작업에 들어갈 때 CPU 제어권을 다른 프로그램에 넘긴다. 그래서 I/O 작업이 끝나면 Device Controller 가 interrupt 를 건다. (Interrupt Line 을 세팅한다.) 그러면 OS 에 CPU 가 넘어가서 I/O 를 요청했던 프로그램의 메모리 공간에 I/O 작업에서 가져온 값을 복사해준다던가 하는 작업을 하고, 다시 원래 작업하던 프로그램에 CPU 를 넘긴다.

한마디로 I/O 작업이 끝났다는 신호

• CPU 는 instruction 을 한번 수행하고, Interrupt Line 을 확인함.

Timer

• CPU 의 독점을 막기 위해서 일정 간격으로 interrupt 를 발생시키는 하드웨어.
  • 사용자 프로그램에 CPU 가 넘어가면 OS 가 CPU 를 뺏을 수가 없다. 무한루프 프로그램 같은 경우 CPU 를 독점할 수 있음.

• 매 클럭마다 1씩 감소해서 0이 되면 인터럽트를 발생시킴.
• Time Sharing 을 구현하기 위해서 널리 사용 됨.

I/O Device

• Input, Ouput 키보드 마우스 스피커 모니터 디스크 ...
  • Device Controller : I/O Device 를 제어하는 작은 CPU.
  • Local Buffer : I/O Device 를 제어하는 메모리 같은 것!
• I/O 는 실제 Device Controller 와 Local Buffer 사이에서 일어나게 된다.

🦕 Interrupt

Device Controller

• I/O 작업은 매우 오래 걸리기 때문에, CPU 가 제어하지 않음. CPU 는 정말 메모리에서 기계어 읽어서 수행만 함.
• I/O 작업을 요청받으면 I/O 작업을 Device Controller 가 진행하고,
• 끝나면 Device Controller 가 interrupt 검.
  • CPU 가 Local Buffer 에서 데이터 읽어감. -> Interrupt 가 너무 많이 걸림 -> DMA Controller

• control register, status register 를 가진다.

• device driver : CPU 가 실행하는 각 I/O 기기를 다루는 코드를 가지고 있는 SW
• I/O 기기에서 기계어 수행은 펌웨어가 한다.

Local Buffer

• 실제 데이터를 저장하는 곳.
• 메모리에 있는 데이터를 갖고 오기도 하고, 여기 있는 데이터를 메모리에서 가져가기도 함.

DMA Controller

• Direct Memory Access : I/O 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해서 사용. 메모리에 접근이 가능하다. (원래는 CPU 만 가능)

• Device Controller 가 interrupt 를 걸면 CPU 가 Local Buffer 에서 데이터를 읽어가는데,
• Interrupt 가 너무 많이 걸림. 계속 CPU 가 왔다갔다 해야해서 낭비.
• Local Buffer 에 일정 분량이 쌓이면 DMA Controller 가 🦕 CPU 개입 없이 블럭 단위로 한번에 메모리에 copy 를 하고 interrupt 를 걸어준다.
  • Memory Controller 는 DMA 와 CPU 중 어느 것이 먼저 메모리에 접근하게 할지 같은 것을 결정해준다.

I/O 의 수행

• I/O 명령은 특권 명령이라 OS 를 통해서만 접근할 수 있다.
• 그럼 어떻게..? -> 시스템 콜 (trap 을 이용한 interrupt)
  • OS 가 확인해보고 올바른 요청인 경우 I/O 요청을 수행한다.

Interrupt ⭐️

• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter 를 저장하고, CPU 제어권을 인터럽트 처리 루틴(OS 의 I/O 처리 함수)에 넘긴다.

• HW Interrupt == Interrupt
  • Timer
  • Device Controller / DMA Controller
• Sw Interrupt == Trap
  • Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
    • 0으로 나눈다거나 하는 코드를 실행하면 CPU 가 그 코드를 실행할 수가 없기 때문에 interrupt.
    • 강제 종료 등의 처리를 하게 됨.
  • System Call : 사용자 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

• 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다. == I/O 가 들어올 때만 CPU 를 잡음.
• 인트럽트 벡터 : 해당 인터럽트 처리 루틴 주소를 가지고 있음. (테이블 같은 것)
• 인트럽트 처리 루틴 : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수.

🦕 Interrupt

• 장치 드라이버 : OS 에 있는 여러 장치를 제어하기 위한 부분.

1. 장치 드라이버가 장치 컨트롤러(Device Controller) 의 레지스터에 값을 쓴다.
2. 장치 드라이버가 레지스터를 읽어서 어떤 작업을 수행할지 결정한다.
3. 장치 컨트롤러가 로컬 버퍼로 데이터를 전송한다.
4. 전송이 완료되면 장치 컨트롤러가 장치 드라이버에 알려줌. -> 그래서 이 알려주는걸 어떻게?? -> Interrupt
5. 장치 드라이버는 요청이 읽기 요청이면 데이터나 데이터에 대한 포인터를 반환하고, 쓰기 요청이면 OS 의 다른 부분에 CPU 제어권을 넘긴다.

1. 장치 컨트롤러가 인터럽트 요청 라인에 신호를 보내서 인터럽트를 raise 시키고,
2. CPU는 인터럽트를 catch 하고,
3. 인터럽트 핸들러로 dispatch 하고,
4. 핸들러는 장치를 서비스해서 인터럽트를 지운다. clear

🦕 Interrupt

• 하드웨어가 발생시킨다. (시스템 버스를 통해 CPU에 신호를 보냄)
• 인터럽트 되면, 인터럽트 처리 루틴이 실행된다.
• 그런데, 인터럽트는 아주 빈번하게 일어나기 때문에, 속도를 위해서 인터럽트 처리 루틴의 주소를 가진 테이블을 메모리에 올려놓고 사용한다. 인터럽트 벡터는 그 테이블의 인덱스 같은 것!

🦕 Interrupt 구현

• CPU 는 하나의 명령어를 실행할 때마다 인터럽트 요청 라인을 읽는 것이 기본인데,

현대의 OS 의 경우
1. 중요한 처리 중에 인터럽트를 연기할 수 있어야 함.
2. 장치에 맞는 인터럽트 처리 핸들러를 효율적으로 부를 수 있어야 함.
3. 인터럽트의 우선순위를 구분하고 우선순위가 높은 인터럽트를 먼저 처리할 수 있어야 함.

위의 3가지를 제공하기 위해,

• 마스킹 불가능 인터럽트 라인 / 마스킹 가능 인터럽트 라인 사용.
  • 마스킹 불가능 인터럽트 라인 : 복구 불가능한 메모리 오류 같은 중요한 인터럽트를 보냄.
  • 마스킹 가능 인터럽트 라인 : 인터럽트 되면 안되는 중요한 작업을 실행하기 전에 꺼버리기 때문에, 중요한 작업 수행 중에는 실행되지 않음.
    • Device Controller 가 보내는 인터럽트의 경우 여기에 속함!
• 인터럽트 체인
  • 인터럽트 벡터 갯수보다 실제 인터럽트 처리 루틴, 핸들러의 갯수가 더 많기 때문에
  • 인터럽트 벡터의 각 요소가 인터럽트 핸들러 리스트의 헤드를 가리키고,
  • 인터럽트 벡터에 맞는 리스트를 찾아가서 요청을 처리할 수 있는 핸들러가 발견될 때 까지 알맞는 리스트의 모든 핸들러를 순서대로 호출해보는 형태로 작동한다.

을 사용한다.

System Call ⭐️

• 사용자 프로그램 내에서 메모리 주소를 바꾸는 것은 쉽다.
• 하지만 사용자 프로그램은 I/O 같은 작업이 필요할 때, OS 커널 의 (I/O 작업과 관련된) 메모리 주소에 접근할 수가 없음. (because Mode bit == 1)
• 그런 경우, 사용자 프로그램이 OS 에게 무언가를 요청하기 위해 interrupt 를 걸어서 OS 의 함수를 호출할 수가 있다. -> 이것이 바로 시스템 콜.

-> I/O 요청을 할 때는 System Call (SW Interrupt) 를 하고, 끝나면 HW Interrupt

sync / async I/O

• 동기식 입출력 (일반적)
  • I/O 요청 후에 작업이 완료가 되어야 CPU 제어가 사용자 프로그램(다른 일)에 넘어감. (I/O 장치까지 가서 뭘 작업했는지 보고 다음 작업 실행.)
  • 그치만 하나의 I/O 가 완료될 때 까지 계속 기다리는건 CPU, I/O 장치 낭비이므로,
    • 해당 프로그램에서 CPU 를 빼앗고,
    • I/O 처리 큐에 넣은 뒤,
    • 다른 프로그램에게 CPU 를 주는 방식으로 구현
    • 끝나면 디바이스 컨트롤러가 인터럽트

• 비동기식 입출력
  • I/O 요청 후에 작업이 끝나기를 기다리지 않고 CPU 제어가 사용자 프로그램(다른 일)에 넘어감.
  • I/O 와 무관한 일을 하거나
  • write 작업 : file 을 쓰거나 모니터에 띄운다라면 이렇게 해도 무방한 경우가 있음.
• 둘 다 I/O 가 끝나면 inetrrupt

I/O 명령어 (방법)

1. I/O 를 수행하는 Special Instruction (일반적)

• CPU 에 메모리에 접근하는 instruction 과 I/O 를 접근하는 instrution 이 나누어져 있음.

2. Memory Mapped I/O

• I/O 디바이스에 메모리 주소를 줘서 메모리로 접근.

실제로 했던 필기

참고 / 출처

반효경 교수님의 2014 운영체제 2. System Structure & Program Execution 강의를 듣고 포스팅하고,
공룡책을 읽고 추가 정리합니다.

사진 출처는 강의 자료.