시스템 구조와 프로그램 실행

Lee Jeong Min·2022년 4월 22일

운영체제

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운영체제를 설명하기에 앞서, 하드웨어적인 것을 설명

컴퓨터 시스템 구조

CPU와 메모리로 구성된 컴퓨터와 그 외 I/O Device로 구성

컨트롤러들이 각 디바이스에 붙어있어서 작은 CPU 역할을 함

이 역할을 하는데 필요한 작은공간 → local buffer라고 함

CPU는 메모리로부터 하나의 instruction 가져와 실행시키는 역할(program counter 주소에서 가져와 명령 실행)

register: CPU 안에 메모리보다 더 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 작은 공간

mode bit: 사용자의 프로그램인지 OS인지 구별하는 역할

Interrupt line: CPU는 항상 메모리에 있는 instruction을 실행시키는데, 키보드나 디스크와 같이 I/O Device에서 어떤 요청이 들어왔을 때, 이를 인터럽트 라인에 세팅하고 마이크로 프로세서에게 알려 처리하도록 함

timer: 사용자 프로그램중 무한루프틑 도는 것과 같은 프로그램이 있을 때, 타이머를 이용하여 CPU를 선점할 수 있는 시간을 설정하여 이를 방지함. (추가적인 하드웨어, Time sharing을 위한 것)

사용자 프로그램에서 키보드 입력이 들어왔을 때 동작 예시

프로그램에서 키보드 입력 요구(트랩이라는 소프트웨어 인터럽트를 발생시켜 시스템 콜을 함)을 이용하여 인터럽트 벡터가 가리키는 서비스 루틴실행
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I/O Controller가 요청한 작업이 끝남(키보드를 두드려서 입력한 데이터가 버퍼에 들어옴)
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키보드 컨트롤러가 CPU에 인터럽트(하드웨어 인터럽트)를 검
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인터럽트가 들어오면 CPU 제어권이 프로그램에서 OS로 넘어감
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운영체제가 인터럽트가 왜 들어왔는지 살펴보고, 입력된 키보드 값을 요청한 프로그램의 메모리공간에 카피
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방금까지 CPU를 점유하고 있던 프로그램에게 다시 제어권 양도(timer값이 남아 있다면)

디스크를 읽는 과정도 동일함(디스크 컨트롤러가 다 읽으면 인터럽트걸고 순차적으로 진행)

Mode bit

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치

즉, 현재 권한이 커널모드냐, 사용자 모드냐에 따라 자원에 접근할 수 있는 권한을 부여

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 ‘특권명령'으로 규정
Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

모니터모드: 커널모드, 시스템 모드

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 것으로부터 보호

이 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용된다. 또한 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용된다.

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

device driver(장치 구동기): OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 → software

device controller(장치 제어기): 각 장치를 통제하는 일종의 작은 cpu → hardware

DMA controller

CPU에 인터럽트가 많이 걸리면 효율적으로 동작할 수 없음. 그래서 DMA(Direct Memory Access) controller가 생김

원칙적으로 메모리에 CPU만 접근할 수 있지만, DMA를 두게 되면 CPU도 접근할 수 있고 DMA도 접근 가능.

둘이 접근하는 것을 중재하는 역할을 memory controller가 제어

DMA 컨트롤러의 역할은 I/O Device의 인터럽트가 발생했을 때, 로컬 버퍼에 있는 내용을 메모리에 복사하여(메모리에 block 단위로 직접 전송) 그 작업이 다끝나면 CPU에 인터럽트 한번만 걸어서 보고를 함.

입출력의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령이다.

사용자 프로그램은 그럼 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

인터럽트

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

Interrupt (넓은 의미)

Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
Trap(소프트웨어 입터럽트)
- Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
- System call: 프로그램이 커널 함수를 호출한 경우 (사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출함)

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

→ 인터럽트의 종류가 여러개 있고, 각각 해야할 일이 다르기 때문에 각 인터럽트가 처리해야할 일을 인터럽트 처리 루틴에 담아둠

어디에 있는 함수들을 실행해야 하는지? → 인터럽트 벡터에 명시해둠

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨

동기식 입출력과 비동기식 입출력

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

비동기식 입출력 (asynchronous I/O)