강의 링크: https://core.ewha.ac.kr/publicview/C0101020140311132925816476?vmode=f
컴퓨터 하드웨어의 동작에 대해 배움!
컴퓨터 시스템구조: 컴퓨터+ IO device
컴퓨터: CPU+memory
CPU (일만 함)
- 역할: 메모리에서 instruction 읽어서 실행
- disk보다 훨배 빠름
- memory에서 instruction 읽어서 실행 (ONLY memory에만 접근. io device에 접근X)
- scanf 해야된다던가 io device 작업 필요하면? cpu가 inst로 io컨트롤러한테 일 시키고 자기는 다른 inst 실행함 (입력값 버퍼에 들어오면 나한테 연락때려라 그러고 지 할일함. 굉장히 빠른데 일만 한다. 쉬지않음)
- 구성요소
- register: 메모리보다 빠른 정보 저장공간
- mode bit: 실행중인게 os인지 유저프로그램인지 구분.
- interrupt line: cpu는 inst 실행 끝나면 메모리 주소값 증가시켜서 다음 인스트럭션 실행 반복함. 그 사이에 cpu가 다른 일 처리해야하는거 있단걸 알려주는 역할
OS (CPU 전체적인 통제)
- OS는 대부분 사용자 프로그램이 쓴다.
이때 만약 io 작업없이 CPU 무한루프 도는 프로그램이 있다면? 그 프로그램이 cpu 독점하게 될 수도 있음
이걸 막기 위해 존재하는 하드웨어가 '타이머'
타이머 (CPU 독점 방지)
- 컴 켜면 os가 cpu 가지고 있다가 타이머 값을 세팅한 후 사용자프로그램한테 넘겨줌. 프로그램은 그 시간동안만 cpu 사용가능
- 만약 할당된 시간 끝나면 씨피유한테 타이머가 인터럽트 보냄 + cpu사용권이 사용자프로그램에서 os로 넘어감
- 사용자프로그램도 io device 접근 불가 . os를 통해서만 접근가능
Interrupt
- io device buffer에 인풋 들어옴-> io controller가 "버퍼에 입력 들어왔다"하고 CPU한테 io interrupt 보냄 -> CPU 제어권이 OS로 넘어감 -> os가 io buffe의 데이터 본인 메모리에 카피
- 시스템 콜: 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받고자 운영체제(커널)을 호출하는 것. 소프트웨어 인터럽트의 일종
- 방식: 사용자 프로그램이 인터럽트 라인 세팅 (=인터럽트를 건다) -> CPU 제어권이 OS에게 넘어감
- 예시: '할 일 다했다~'
- 소프트웨어 인터럽트(트랩) : Exception, System Call
- 하드웨어 인터럽트(인터럽트라고 할때 대부분이 하드웨어인터럽트): 타이머 인터럽트, io controller 인터럽트 등
- 예시: '할 일 다했다~'- 타이머 인터럽트
모드빝 ( 사용자가 cpu 악용하는거 제한)
0 모니터모드 커널모드 : os 코드 수행중. 메모리접근, io 접근 등 다 가능
1 사용자 프로그램 모드 : 모든 명령은 커널모드에서만 사용가능하므로 사용자 프로그램은 '시스템 콜'로 os에게 IO 요청함. 바로 os에 접근할 수 없으므로 인터럽트를 일으켜 cpu의 제어권을 Os로 보낸다.
만약 io device에서 계속 CPU한테 인터럽트를 걸어서 메모리에 있는 데이터 보낸다면?
cpu가 인터럽트를 너무 많이 당함 -> 비효율적. 그래서 있는게 DMA Controller
DMA Controller (Direct Memory Access Controller)
- Memory에 CPU, DMA Ctrl 둘다 접근 가능.
- CPU 대신 DMA가 io device에게 직접 가서 로컬 버퍼의 데이터를 메모리에 복사해주고 CPU는 최종 인터럽트만 받도록 함
- DMACtrl 덕분에 CPU는 instruction 메모리 주소를 메모리에서 PC(Program Counter) 형태로 받아와서 실행하는데 집중 가능
- DMA가 버퍼에 있는 내용을 메모리로 카피, 모아서 block 단위로 직접 메모리로 전송 & CPU에게 인터럽트
Memory Controller (교통정리)
- DMACtrl과 CPU가 동시에 특정 메모리에 접근하는 것 막는 역할
Device Driver
- 소프트웨어. os 코드중 각 장치에 접근하는 처리루틴
Device Controller
- 하드웨어. io device의 CPU 역할
- local buffer 있음
Program Counter (프로그램 카운터 라는 레지스터)
CPU는 메모리 주소를 가리키는 레지스터(프로그램카운터레지스터)가 가리키는 메모리 위치에서 인스트럭션을 읽어와실행함
그다음 프로그램카운터레지스터는 다음 주소를 가리킨다.
인스트럭션 하나가 주로 4바이트. 다음 인스트럭션 주소는 pc가 4 증가.
왠만하면 순차적으로 실행. 함수/if문 쓰루하는 경우 등 다른 메모리주소로 점프해야할 땐 메모리 위치가 점프
- 명령 끝나고 새로 시작할때마다 인터럽트 라인 확인.
- 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트를 처리할 수 있는 처리 루틴(커널 함수) 주소를 가짐
동기식 입출력 synchronous IO
- io 요청 후 입출력이 끝나길 기다린 후 제어가 사용자 프로그램으로 넘어감
Asynchronous IO
- io 작업 끝나는거 안 기다리고 제어가 사용자 프로그램으로 넘어감
- e.g. 디스크에서 뭐읽어오는 작업할 경우 그 데이터를 몰라도 할 수 있는 작업을 한다. / 주로 '쓰기'작업
동기비동기 io 둘다 입출력작업 끝난건 인터럽트로 알려줌.
IO 방법
- 일반적으로는 메모리, IO device에 접근하는 명령 따로따로
- memory mapped io: io 장치도 메모리 주소에 연장 주소 붙임
저장장치의 계층 구조
CPU-register-cache memory-main memory(d ram)-...
- 위로 갈수록 속도가 빠르고 비싸 용량이 적음 / 대부분 휘발성
- secondary: cpu가 직접 접근 불가. cpu는 바이트 단위로 접근하는데 세컨더리는 바이트 단위로 불가해 unexecutable
- 캐싱은 재사용을 목적으로함. 미리 위까지 읽어놓으면 아래에서 읽어올 필요없음.
프로그램의 실행
- 주로 .exe
- 프로그램을 실행시키면 그 실행파일의 독자적인 주소공간(virtual memory)이 생긴다. 프로그램 종료시 사라짐
- 주소공간(Address space): 코드, 데이터, 스택으로 이루어짐 / 0번지부터 시작
- 이 주소공간을 물리적인 메모리에 올려 실행. 근데 주소공간의 전부를 다 올리지 않고 당장 필요한 코드 부분만 물리적인 메모리에 올림
- 어느 부분은 physical memory에 일부는 swap area에 ... 나눠져있기도 함. (virtual memory 기법)
- swap area: 전원 나오면 다 지워지는 부분임. 메모리 연장 공간으로 사용됨.
커널 주소공간(버츄얼 메모리)의 내용
- 커널도 하나의 프로그램이므로 주소공간으로 구성돼있음.
- os는 자원을 효율적으로 관리하는 역할 하므로 관련 된 코드가 code 안에 있음
- os는 인터럽트가 들어오면 cpu를 가지므로 인터럽트, 시스템콜 처리 코드가 code 안에
- os는 cpu, memory, disk 등 하드웨어를 관리함. 관리를 위한 자료구조 필요
- os는 프로세스를 관리. 프로세스 관리 위한 자료구조: PCB(Process Control Block) / 프로세스마다 PCB가 하나씩 만들어짐.
- 운영체제의 코드는 사용자 프로그램이 막 불러 실행하기 때문에 어떤 사용자 프로그램이 커널에 시스템콜하고 있는지 저장하는 커널 스택도 있음.
함수
- 사용자 정의 함수: 내가 만들고 내가 불러서쓰는 함수
- 라이브러리 함수: 누군가 만들어놓은 함수
- 내 실행 파일 안에 둘다 포함되어있음. 사용자 프로세스의 주소 공간에 있음
- 커널 함수: os 안에서 정의된 함수. 시스템 콜을 해서 쓸 수 있음. 커널의 주소공간 안에 들어있음.
- 위2함수->커널 함수 는 메모리 주소가 점프해야하므로 불가능. 그렇기에 커널 함수 호출할땐 시스템콜로 cpu 제어권을 os로 보내서 실행함.
질문
Q. 영상1 9:55에 일을 시킨다고 했는데 cpu-memory까지만 간다. 이떄 cpu->io device에 일을 시키는 과정/연관된 장비는 무엇인가? (line 15 쯤과 관련)
a? data는 io local 버퍼에, inst는 io register에 넣는다고함
Q. CPU 안에 레지스터와 다른 요소들이 있는 건가 아니면 그 요소들이 모인 걸 CPU라고 하는 건가? 즉, CPU가 추상적인 개념인지 물리적인 것인지??
느낀 점
- 처음엔 내용이 정말 방대하구나 싶었다. 선구자들이 오랜 시간동안 연구하고 만들어온 거니 사실 당연한 거다. 강의를 들으면서 계속 새로운 장치와 개념이 나왔는데, 이것들이 다 연관되어있다는게 참 신기했다. 컴퓨터덕에 우리가 누리는 편리함과 즐거움을 생각하면 당연한 거지!!! 더이상 미룰수 없다 나의 운영체제 공부!!!
- 목표는 꾸준히, 그리고 반복해서 보기
- 컴퓨터를 더 잘 알고 더 나은 개발자가 되자.
- 시스템콜이라는 개념이 흥미롭다. 나 다했어~~~ 하고 알림이 아니라 인터럽트를 걸어버리는 놈
