System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템 구조

역할

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치
• Mode bit == 1 : 사용자 모드 - 사용자 프로그램 수행
• Mode bit == 0 : 모니터 모드(커널 모드, 시스템 모드) - OS 코드 수행
• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권 명령으로 규정
• Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

Timer

• 정해진 시간이 프른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴 → 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것으로부터 보호
• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이 되면 인터럽트 발생
• time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨

Device Controller

• I/O device controller
  • 각 디바이스마다 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (이종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device Controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
• device driver : 장치 구동기 - OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 (소프트웨어)
• device contorller : 장치 제어기 - 각 장치를 통제하는 작은 CPU (하드웨어)

I/O의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램이 I/O를 하는 방법
  • 시스템 콜(system call) : 사용자 프로그램이 운영체제에게 I/O를 요청
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김

Interrrupt

• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
• 인터럽트 : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
• 트랩 : 소프트웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
  • System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
• 인터럽트 처리 루틴(=인터럽트 핸들러) : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

System call

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

동기시/비동기식 입출력 (synchronous/asynchronous I/O)

synchronous I/O

• I/O에 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어감
• 구현방법 1
  • I/O가 끝날 떄까지 CPU를 낭비시킴
  • 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
• 구현방법 2
  • I/O가 완료될 때 까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
  • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
  • 다른 프로그램에게 CPU를 줌

asynchronous I/O

• I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에게 즉시 넘어감

두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌

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

프로그램 실행

• 하드 디스크에 실행파일로 저장되어 있다.
• 실행 시 가상 메모리에 할당
• 물리 메모리에 올려서 실행
  • 커널 영역은 컴퓨터 부팅 시 항상 할당되어 있는 영역
• File System : 비휘발성 데이터 영역
• Swap area : 휘발성 데이터 영역
• Address translation : 가상 메모리를 물리적 메모리 주소로 변환시켜주는 장치

커널 주소 공간의 내용