1. OS(Operating System)
Operating System
- 하드웨어를 관리하는 프로그램
- 컴퓨터 하드웨어와 컴퓨터 사용자 사이의 중개인 역할을 하는 프로그램
애플리케이션에는 하드웨어를 관리하는 기능이 없다.
그래서 OS <- -> APP 상호 작용이 있는것
OS의 목표
- User Program 실행
- User Problem을 더 쉽게 해결
(사용자의 컴퓨터 사용을 도움 == 컴퓨터 사용을 더 쉽게 만듬) - 하드웨어를 더 효율적인 방식으로 사용
- CPU, Memory -> 소중한 자원이다.
- App은 메모리 관리 의무 X, HW 관리는 OS의 몫이다.
Computer System
Four Computer System Components
- User
- System/application Programs
- OS
- Computer HW
- 오직 OS만이 하드웨어와 직접 소통할 수 있다.
- OS는 하드웨어와 시스템, 애플리케이션 사이를 중개한다.
OS View Points
사용자 시점
- Home PC User : 주요 목표는 쉬운 사용이다. 리소스 활용은 사용자가 생각할게 아니다.
OS는 User에게 있어 컴퓨터 편하게 쓰게 해주는 도구일 뿐이다.
유저는 Memory, HW 등을 신경쓰지 않는다.
시스템 시점
-
Resource allocator : OS는 여러 프로그램들에게 리소스를 할당해 준다.
Resource : CPU, Memory, Stroage, I/O Device, ...
여러개의 Program 가동 중 -> 각자 리소스 요구 -> OS가 allocator 역할
또한, 충돌하는 리소스 요청을 핸들링한다. -
Controal program
- 에러 방지(동시에 disk write 발생, 권한 관리 등)
- 컴퓨터의 부적절한 사용을 막는다.
Definition of OS
OS는 느슨하게 정의된다.
- Diverse HW, various purpose
- OS = Kernel + System programs
Kernel : OS의 기본 알고리즘을 구현해둔 로직
Computer System Organization
- CPU : 연산 수행
- 입출력 장치 : 디스크, 모니터, 프린터 등 -> Device controller에 의해 관리된다.
-> Device controller에는 Disk Controller, USB Controller, Graphics adaptor 등이 있다. - Memory : CPU와 Device controller는 병렬로 실행되고 있고, 둘다 System bus(Communication channel)로 Memory와 연결되어 있다.
System bus를 공유하고 있는제 충돌이 일어나면 -> Memory controller가 접근을 동기화한다.
Computer Operations
Start-up
- Bootstrap program : 컴퓨터가 켜지면 가장 먼저 실행되는 프로그램. OS의 구동을 돕는 프로그램.
- ROM, EEPROM에 Hard-wired로 저장됨
- CPU Register, Device controllers, Memory 초기화
- OS kernel 로드, Kernel 시작
- System daemons
- 커널 백그라운드에서 계속 돌아간다.
- init 프로세스 바로 아래 위치
(init이 제일 첫 번째 프로세스이고, 이게 다른 daemon들을 시작시킨다.)
Interrupt
- CPU에게 멈추고 interrput handler를 실행하라고 보내는 event
Interrupt handler : 함수 하나
Interrupt vector : Interrupt handler 주소들의 배열 - H/W interrupts
- timer, keyboard, mouse moving 등 -> System bus를 통해서 전달된다.(Remind)
- S/W interrupts
- System call
- Interrupt handling은 CPU의 주요 기능 중 하나 (반드시 빨라야 한다.)
- Interrupt된 Instruction의 현재 주소화, register 상태를 저장해두어야 한다.
Interrupt Timeline
CPU는 두가지 상태를 가진다.
- User process executing
- I/O interrupt processing
I/O device : Disk 같은 거라고 생각하면 된다.
1. I/O request : Disk가 idle -> transferring -> idle. Disk에서 Memory로 데이터 가져온 것이다.
2. Transfer done : I/O Interrupt 처리. Memory에서 CPU로 데이터 가져오기
3. 이후 아무것도 안 하다가 (CPU는 계속 User process executing, I/O는 idle)
4. I/O request -> Transfer done -> idle -> ... 반복
I/O가 작업 중이더라도, CPU는 다른 작업을 할 수 있다.
I/O 작업이 완료되면, 그제서야 interrupt가 발생한다.
Storage Structure
모든 프로그램들은 실행되기 전에 (IW/SW instruction 등) 메모리에 로드되어야 한다.
Memory : 보통 RAM을 가리킨다.
Storage : 보통 Disk drive를 가리킨다. (Memory, register 모두 storage인 것은 맞다.)
폰노이만 아키텍처
- 인스트럭션과 데이터가 같은 메모리에 저장된다. (IM, DM이 나누어져 있지 않다.)
- CPU는 Memory와 Slingle Cannel로 연결된다.
- Cache로 메모리 접근을 향상시킬수 있다.
- CPU
- 1 Channel이기에 단순하지만, 1 Channel이기에 접근 성능은 조금 나쁘다.
하버드 아키텍처
- 인스트럭션을 저장하는 메모리와 데이터를 저장하는 메모리가 따로 있다. (IM, DM)
- 2 Channel로 두개의 분리된 메모리를 사용하기 때문에 더 복잡하다.
두 아키텍처가 서로 반대 관계 X
Secondary storage : HDD, SDD 등
- 메모리는 용량이 너무 작고, 휘발성이기 때문에 Secondary storage가 필요하다.
Storage device hierarchy
Memory Hierarchy
위로 갈수록 빠르고 휘발성이다.
아래로 갈수록 느리고 싸고 비휘발성이다.
2. I/O Structure
장치를 관리하는 것은 OS에서 중요한 부분이다.
Device controller
모든 장치는 Device controller를 가지며, CPU는 이것들을 가지고 장치와 communication 한다.
CPU와 Device controller는 공통된 bus를 통해 연결되어 있다.
- OS는 어떻게 여러 장치를 핸들링하는가?
- OS는 Device controller와 어떻게 상호작용해야 하는지 적혀있는 Device driver를 가지고 있다.
- 장치 제조사는 장치에 대한 Device driver를 소프트웨어 형태로 제공해야 한다.
- Device driver 소프트웨어는 read, write와 같은 기능을 구현하는 함수의 집합이다.
I/O Operations (인터럽트 기반 입출력)
- CPU(OS)가 Device controller의 레지스터에 명령을 넣는다.
- Device driver가 Device controller의 레지스터 내용을 로드한다.
- Device controller가 레지스터 내용을 본다.
- Device controller가 데이터 송수신
- Device controller가 데이터 송수신을 마치면, 인터럽트를 발생시킨다.
- Device driver는 OS에게 control을 돌려준다.
DMA 기반 입출력
- DMA controller라는 별도의 장치를 통해 I/O 작업
(OS의 일부가 아니라, 별도의 장치이다.) - 실제 CPU가 Control하는 건 DMA를 컨트롤하는 DMAC를 컨트롤하는 것
3. Computer System Architecture
Single-processor systems
- 하나의 general-purpose processor(현재 작업에 따라 달라진다.) + 많은 special-purpose processors
Multiprocessor systems
-
2개 이상의 프로세서(CPU)로 구성된 하나의 시스템
하나의 프로세서로는 성능 개선의 한계가 있기 때문에
-
Throughput 증가(Throughput : 단위시간 동안 얼마나 많은 일이 처리되는가)
- 프로세서 개수를 늘림으로써, 더 적은 시간에 더 많은 일을 할 수 있다.
그러나, N개의 CPU가 N배의 성능 향상을 의미하지는 않는다!
CPU 개수가 증가해도 throghput도 log scale로 증가하다가 결국 어딘가로 수렴한다.
- Economy of scale
- Single-processor system을 여러 개 두는 것보다 비용이 더 적다.
- 전원, 저장소 등을 여러 프로세서가 공유하기 때문에
- Increased reliability
- 하나의 프로세서가 고장나더라도 시스템이 멈추는 일은 없고, 속도만 느려진다.
- Graceful degradation
더 많은 하드웨어 컴포넌트의 문제가 생길수록 동작 효율이나 속도가 점진적으로 감소한다. - Fault toleance
여러 개의 하드웨어 컴포넌트 중 일부가 문제가 생기더라도, 전체 시스템의 불능 상태가 일어나지 않고 서비스를 제공한다.
fault tolerance 시스템은 Graceful degradation 특징을 가진다.
Asymmetric multiprocessing : Master and Slave
- 하나의 프로세서가 다른 프로세서와 Master-Slave 관계
- Master 프로세스는 하나의 전체 시스템(다른 프로세스)를 control 한다.
- 각 Slave 프로세스는 Master 프로세스에게 작업을 할당받아 명령을 수행한다.
Symmetric multiprocessing(SMP)
- 대칭적인 프로세싱 : 포지션별로 모두 같이 일을 한다.
- 각 프로세서는 OS의 모든 작업을 같이 수행
- 모든 프로세서가 하나의 물리 메모리를 같이 공유한다.
- UMA(Uniform memory access) : 어느 프로세서에서 어느 메모리에 접근하든 동일한 시간이 걸린다.
- NUMA(Non-UMA) : 메모리 일부분이 다른 부분보다 접근이 더 오래 걸릴 수 있다.
Multicore system
하나의 프로세서 내에 여러 개의 코어가 들어있는 것
- 하나의 칩 내에서 커뮤니케이션(정보 교환)이 훨씬 효율적
- CPU 2개 커뮤니케이션보다 CPU 1개 내의 두 개 코어끼리의 커뮤니케이션이 더 효율적이다.
- 비용이 더 저렴하다.
- 전력소비가 더 적다. 더 낮은 파워를 사용할 수 있다.
4. OS Structure
OS는 프로그램이 실행될 환경을 제공한다.
OS의 주요 기능들
- Multi-programming : 여러 개의 작업을 메모리에 유지
it does not mean 'programming coding' -> more like 'Multi-execution'
멀티 프로그래밍의 목적 : CPU 효율성 증대(To increces the CPU utilization)
CPU의 효율성 : 리소스를 얼마나 사용하고 있는지에 대한 정보
-> Ex) 메모리 4GB 중 2GB를 사용하고 있다면 -> utilize 50%
즉, 우리는 CPU를 항상 바쁘게 유지시키려 한다. CPU가 idel인 것을 원하지 않는다.
job scheduling from Job pool : 작업들이 로드되기를 기다리는 개념적 공간
사용자가 수행하고 싶은 프로그램은 많은데 메모리는 그만큼 충분하지 않다.
모든 프로그램이 한번에 로드될 수 없으니, Job Pool에 대기시키고, Job Switching을 통해 Memory에 로드된 프로그램 중 하나를 Job Pool의 프로그램으로 대체하는 것
- Time sharing(Multitasking)
- 메모리에 로드된 프로그램들 사이의 교체(Swiching)
- 빠른 교체 -> 사용자 시각에서 더 interactive하게 보인다.
ex) 응답 시간이 짧으면 키 입력에 즉각 반응 - 멀티프로그래밍과 더불어 매우 중요한 기능이다.
- Process : 메모리에 로드된 프로그램의 running instance
- Program : 단순한 instruction의 집합. 파일 하나
- 프로세스는 프로그램과 더불어 추가적인 정보(메모리 사용, 권한, 언제 시작 등)까지 저장하고 있다.
- Process = Program + State 프로그램은 단순한 instruction set이다.
- 하나의 프로그램이 여러 프로세스를 만들 수 있다.
- 여러 프로세스를 처리하면서 메모리가 부족한 경우 : Memory management
- swapping 또는 Virtual memory -> Ch8,9
5. OS Operations
OS는 Interrupt driven하다.
-> 인터럽트가 없다면, OS는 백그라운드에서 아무것도 하지 않는다.
Trap : User process의 exceptrion
- Trap은 Software interrupt 형태로 나타난다.
- Div by zero, Invaild addr, Crtl-C, Child process ended, ...
- Interrupt Service Routine(ISR)
- 특정한 종류의 인터럽트를 핸들링하는 커널 내부에 있는 함수의 집합
- "이 인터럽트가 발생하면, 이렇게 처리해라"
Kernel mode VS User mode
- Kernel mode : Supervisor mode, System mode, Privileged mode
- User mode : 커널 모드보다는 제한적이다.
- CPU는 현재 모드를 나타내기 위한 mode bit을 제공한다.
(Kernel mode = 0, user mode = 1)
(Remind : CPU Register 내에는 많은 특수 목적 레지스터들이 있다.)
- User process가 실행 중 -> System call을 호출한다.(Trap이 발생)
- Mode switch : mode bit가 0으로 바뀌고, kernel mode가 된다.
- System call 수행
- Mode switch : mode bit가 1로 바뀌고, User mode가 된다.
- User process가 system call로부터 돌아왔고, 계속해서 실행한다.
Privileged instructions(특권명령)
- 시스템에 악영향을 끼칠 수 있는 일부 instruction들
- 오직 크널 모드에서만 실행시킬 수 있다.
- 유저 모드에서 실행시키고 하면 -> Trap 발생
