Chapter 2. System Structure & Program Execution
컴퓨터 시스템 구조
Computer - CPU, Memory
I/O device - Disk, 키보드, 마우스, 모니터, 프린터 등
device controller가 작업
CPU & Memory
- Memory : CPU의 작업 공간. 프로그램이 실행되는 동안 명령어와 데이터를 저장한다.
- CPU는 메모리에서 명령어를 읽어서 실행
- 읽어오는 요청은 직접 디스크에 접근하는 것이 아님.
- CPU의 전체적인 통제를 OS가 담당. CPU는 지시된 것을 계속 실행하는 것
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 (한정된 명령 수행 가능) 0 모니터 모드(=커널 모드, 시스템 모드): OS 코드 수행
- 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 “특권 명령”으로 규정
- interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
- 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅
Timer (하드웨어)
- 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
- CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
- 매 클럭 틱 때마다 1감소
- 타이머 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
- 할당된 시간만큼 실행하고 끝나면 CPU에 타이머 인터럽트 발생
- 정해진 시간 후 운영체제에게 제어권이 넘어감
- Time Sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
- 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용
Device Controller
-
I/O Device Controller (하드웨어)
- 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
- CPU와 병렬로 실행되어 메모리 사이클을 놓고 경쟁한다. (누가 메모리에 접근할 것인가)
- 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
- local buffer를 가짐 (일종의 data register)
- 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
-
I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
-
Deviece controller는 I/O가 끝났을 경우 인터럽트로 CPU에 그 사실을 알림
-
device driver(장치구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> Software
-
device controller(장치제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> Hardware
입출력(I/O)의 수행
- 모든 입출력 명령은 특권 명령 (커널 모드에서만 할 수 있음)
- 사용자 프로그램은 어떻게 I/O하는가?
- 시스템콜(system call) : 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
- 사용자 프로그램은 OS에게 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
- 시스템콜(system call) : 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
인터럽트 (Interrupt)
- 인터럽트
- 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
- Interrupt (넓은 의미)
- Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
- Trap (소프트웨어 인터럽트)
- Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우 (0으로 나누는 연산 등)
- 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
- 인터럽트 벡터
- 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/O 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴 (완료까지 기다려야하므로)
- 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
- 구현 방법 2 (CPU 낭비도 안되고 I/O 장치도 동시 실행 가능)
- I/O 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU 빼앗음
- I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
- 다른 프로그램에게 CPU를 줌
- 비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)
- I/O 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
- 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌
DMA(Direct Memory Access)
- 메모리에 접근 가능한 장치
- I/O 장치가 매우 다양해서 CPU가 인터럽트를 너무 많이 당하므로 직접 메모리에 접근할 수 있게 만듦
- 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 인터럽트 발생시킴
- CPU는 DMA가 일을 다 하면 한번만 인터럽트 당함. CPU의 인터럽트 빈도가 줄고 효율적으로 가능
서로 다른 입출력 명령어
- I/O를 수행하는 special instruction에 의해
- 메모리와 I/O가 별개의 어드레스 영역에 할당되는 것을 의미한다.
- Memory Mapped I/O에 의해
- 메모리와 I/O가 하나의 연속된 address 영역에 할당된다
저장장치 계층 구조
- 위로 갈수록 속도가 빠르나 비용 높고 용량이 적음, 휘발성,
- Primary: 휘발성
- Secondary: 비휘발성
- 캐싱: 어떤 것을 쫓아낼 것인가가 중요한 이슈 ( 뒤에서 자세히 설명)
프로그램의 실행 (메모리 load)
- File System: 비휘발성(전원이 나가도 유지됨)
- Vitual Memory: 각 프로그램마다 독자적으로 가지고 있는 메모리 공간
- Physical Memory: 당장 필요한 부분만 올리고 나머지는 Swap area(전원이 내려가면 의미가 사라짐)에 내려 놓음
- 주소변환: 하드웨어의 지원을 받아 가상메모리 주소를 물리적메모리 주소로 바꿈
커널 주소 공간의 내용
- 하드웨어를 관리하기 위해 자료구조를 만들어둠
- PCB: 프로그램마다 관리하기 위한 자료구조
- stack: 함수를 리턴하기 위해 사용
사용자 프로그램이 사용하는 함수
- 함수 (function)
- 사용자 정의 함수
- 내 프로그램에서 정의한 함수
- 라이브러리 함수
- 내 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
- 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있음
- 커널 함수
- 운영체제 프로그램의 함수
- 커널 함수의 호출 = 시스템 콜
- 사용자 정의 함수
프로그램의 실행
- 유저모드-커널모드 반복
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