✏️ 컴퓨터 시스템 구조
- register : 메모리보다 더 빠른 정보를 저장할 수 있는 공간
- CPU는 메모리랑만 일 함
✏️ Mode bit
- 지금 CPU에서 실행되고 있는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지 구분해주는 역할
- 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
- Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두가지 모드의 operation 지원
- 0 - 모니터 모드( = 커널, 시스템 모드) : OS 코드 수행
- 무슨 일이든 다 가능
- 1 - 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
- 제한된 instruction만 실행 가능
- 0 - 모니터 모드( = 커널, 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 세팅
✏️ Timer
- 특정 프로그램이 CPU 독점하지 못하게 하는 역할
- 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 Interrupt를 발생시킴
- 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
- 타이머 값이 0이 되면 timer interrupt 발생
- CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
- time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
- 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용
-
동작
- 프로그램이 I/O 작업을 해야 되면 스스로 운영체제에 CPU를 넘겨줌
-> 그러면 운영체제가 I/O 컨트롤러에 일을 시킴
-> 요청한 프로그램이 아닌 다른 프로그램에 CPU 넘겨줌 (I/O 작업이 오래 걸리기 때문)
-> 요청된 작업이 끝나면 I/O 컨트롤러가 CPU에게 interrupt를 검
-> interrupt가 들어오면 CPU 제어권이 자동으로 운영체제에게 넘어감
-> 결과물을 해당 프로그램 메모리에 카피
-> (보통) CPU를 아까 프로그램에게 다시 줌
- 프로그램이 I/O 작업을 해야 되면 스스로 운영체제에 CPU를 넘겨줌
✏️ Device controller
- I/O device controller
- 해당 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
- 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
- local buffer를 가짐 (일종의 data register)
- 각 I/O device의 작업 공간
- 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 -> software
- device controller (장치 제어기)
- 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware
✏️ 입출력(I/O)의 수행
- 모든 입출력 명령은 특권 명령
- 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
- System call
- 사용자 프로그램이 운영체제에게 I/O 요청
- trap을 사용해 Interrupt vector의 특정 위치로 이동
- 제어권이 Interrupt vector가 가리키는 Interrupt service routine으로 이동
- 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
- I/O 완료 시 제어권을 System call 다음 명령으로 옮김
- System call
✏️ Interrupt
- Interrupt 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 Interrupt 처리 루틴에 넘긴다
- 현대의 운영체제는 interrupt에 의해 구동됨
- Interrupt (hardware interrupt)
- 하드웨어가 발생시킨 interrupt
- Trap (software interrupt)
- Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
- System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
- Interrupt 관련 용어
- Interrupt vector
- 해당 interrupt의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
- Interrupt Service routine (인터럽트 처리 루틴, 인터럽트 핸들러)
- 해당 interrupt 처리하는 커널 함수
- Interrupt vector
✏️ System call
- 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
✏️ 동기식 입출력과 비동기식 입출력
동기식 입출력 (synchronous I/O)
- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어감
- 구현 방법 1
- I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
- 매 시점에 하나의 I/O만 일어날 수 있음
- 구현 방법 2
- I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU 빼앗음
- I/O 처리를 기다리는 중에 그 프로그램을 줄 세움
- 다른 프로그램에게 CPU 줌
- read는 주로 동기식
비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
- I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
- write는 주로 비동기식
‼️ 두 경우 모두 I/O의 완료는 interrupt로 알려줌
✏️ DMA (Direct Memory Access)
- 직접 메모리에 접근할 수 있는 컨트롤러
- I/O 장치가 interrupt를 너무 많이 걸어서 CPU가 방해를 많이 받는 것을 막기 위해 사용
- 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
- CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
- byte 단위가 아니라 block 단위로 interrupt 발생시킴
- 동작
- 로컬 버퍼에 들어오는 작업 내용이 끝나면 DMA가 해당 내용 직접 메모리에 카피
-> 그 후 CPU에 interrupt (1번)
-> CPU의 효율적 이용 가능
- 로컬 버퍼에 들어오는 작업 내용이 끝나면 DMA가 해당 내용 직접 메모리에 카피
- memory controller
- CPU, DMA가 동시에 메모리에 접근하지 못하게 조율하는 역할
✏️ 서로 다른 입출력 명령어
I/O를 수행하는 special instruct에 의해 (일반적인 방식)
- 메모리 접근 instruction 따로 존재
- I/O : special instruction
Memory Mapped I/O에 의해
- I/O 장치도 메모리 주소의 연장 주소를 붙여서 접근
✏️ 저장장치 계층 구조
- 위로 갈수록 fast, 비쌈, 용량 ↓
- 위 3개 : 휘발성 (전원 나가면 내용 사라짐)
- Primary : CPU 접근 가능
- CPU가 직접 접근하려면 byte 단위로 접근 가능한 매체여야 함
- Secondary : CPU 접근 불가
- sector단위라 CPU 접근 X
✏️ 프로그램의 실행 (메모리 load)
- stack : 함수 호출/리턴할 때 어떤 data를 쌓았다가 꺼내가는 용도로 사용
- data : 변수, 자료 구조
- code : CPU에서 실행할 기계어 코드
- 당장 필요한 부분만 physical memory에 올려 놓음
- 필요 없어지면 physical memory에서 out
- 보관 필요한 경우 swap area
커널 주소 공간의 내용
- PCB (Process Control Block)
✏️ 사용자 프로그램이 사용하는 함수
1. 사용자 정의 함수
- 자신의 프로그램에서 정의한 함수
2. 라이브러리 함수
- 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 가져다 쓴 함수
- 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있음
3. 커널 함수
- 운영체제 프로그램의 함수
- 커널 함수의 호출 = System call
✏️ 프로그램의 실행
참고자료
KOCW, 반효경 교수님, 운영체제
공부중 📚