System Structure & Program Execution

본 글은 다음 강의를 들으며 정리한 내용입니다.
강의 정보 : 운영체제 / 이화여대 반효경
강의 링크

 

1. 컴퓨터 시스템 구조

 

2. 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 operation 지원

1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
0 모니터 모드 : OS 코드 수행

• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권명령으로 규정

• Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈

• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

모니터모드 (= 커널 모드, 시스템 모드)

 

3. 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
  • CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로 보호

• 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨

• 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

 

4. Device Controller

• I/O device controller

  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)

• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남

• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

device driver (장치구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> software
device controller (장치제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware

 

5. 입출력(I/O)의 수행

모든 입출력 명령은 특권명령

사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?

• 시스템콜(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

 

6. 인터럽트 (Interrupt)

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

Interrupt (넓은 의미)

• Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 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

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨
운영체제는 CPU를 사용할 일이 없다. 인터럽트가 들어올 때만 CPU가 운영체제로 넘어간다. 그렇지 않으면 CPU는 항상 사용자 프로그램이 쓰고 있다.

 

7. 시스템콜 (System Call)

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

 

8. 동기식 입출력과 비동기식 입출력

8-1. 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

8-2. 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

 

9. 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

 

10. 서로 다른 입출력 명령어

• I/O를 수행하는 special instruction에 의해 (일반적인 방법) (그림 좌측)

• Memory Mapped I/O에 의해 (그림 우측)

 

11. 저장장치 계층 구조

연두색 : 휘발성
분홍색 : 비휘발성

 

12. 프로그램의 실행 (메모리 load)

 

13. 커널 주소 공간의 내용

 

14. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

14-1. 함수(function)의 종류

• 사용자 정의 함수

  • 자신의 프로그램에서 정의한 함수

• 라이브러리 함수

  • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
  • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다.

• 커널 함수
  • 운영체제 프로그램 함수
  • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

 

15. 프로그램의 실행