컴퓨터 시스템 구조

infoqoch·2021년 2월 20일

운영체제

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1) cpu의 작동

instruction(명령 처리) : CPU가 하는 일. 프로세스가 요구하는 연산작업을 처리한다. cpu의 program counter는 프로세스가 요청하는 작업의 주소를 가리킨다. register는 그 값을 불러오고 cpu를 통해 작업을 처리하고 결괏값을 register에 임시저장한다. 이처럼 cpu가 각 주소값을 순차적으로 참조하여 처리하는 것을 instruction이라 한다.
CPU는 매번의 instruction마다 interrupt가 있는지를 확인한다. 만약 interrupt가 있으면 CPU의 사용 권한이 프로세스에서 운영체제(커널)로 넘어간다. 이를 interrupt라고 한다.

2) interrupt(하드웨어 인터럽트)

timer : cpu의 독점 방지, 프로그램의 무한루프에 대비하여 timer를 가진다. timer는 cpu를 일정 시간 이상 점유하면 cpu를 빼앗고 다음 프로세스에 cpu를 넘긴다.
I/O의 인터럽트 : I/O에서 입력이 발생하면 인터럽드가 되어 해당 값이 CPU로 이동한다.
DMA 컨트롤러의 인터럽트

3) Trap(소프트웨어 인터럽트)

System call : 사용자 프로그램이 I/O 디바이스의 값이 필요로 할 때 사용. I/O의 접근은 커널만 가능하다. 자발적으로 cpu를 커널에 반납한다. 커널은 CPU에 I/O의 입력을 요구.
Exception : 프로그램에 예외 발생. 보통 프로세스가 강제 종료된다.

4) mode bit

사용자 프로그램의 권한을 제한하기 위한 보호 장치. 사용자 프로그램을 언제나 신뢰할 수 없음.
모니터 모드(커널모드, 시스템 모드) : mode bit의 값이 0. OS의 코드를 수행. 모든 인스트럭션 실행 가능. I/O에 접근 가능.
사용자 모드 : mode bit의 값이 1. 사용자 프로그램을 수행. I/O 접근 불가.
사용자 프로그램이 I/O를 접근하려면, 사용자 프로그램이 OS에 시스템 콜을 보내고, OS는 Mode bit을 1로 전환하여, CPU가 I/O에 접근할 수 있도록 함.

5) DMA Controller (Direct Memory Access Controller)

I/O에서 다수의 인터럽트가 발생하고, 모든 인터럽트에 대해 CPU가 실시간 대응하면, CPU 사용에 있어서 오버헤드 발생. DMA가 I/O의 데이타(I/O 디바이스의 buffer의 값)를 모음. 데이타를 불출 할 때, (1) 바이트가 아닌 block 단위로 한 번에 메모리에 접근해서 저장하며 (2)처리 결과를 단 한 번의 인터럽트로 cpu에 전달.
기본적으로 CPU만 메모리에 접근할 수 있음. DMA는 CPU 외 유일.

6) 인터럽트 처리

인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러) : 인터럽트를 처리하기 위한 커널의 함수
인터럽트 백터 Interrupt vector: 해당 인터럽트를 처리하기 위한 인스터럭션이 존재하며, 그 인스터럭션에 대한 주소 값.
인터럽트가 발생하면, 인터럽트 루틴에 따라 cpu가 작동함. instruction을 가져오기 위한 코드를 가리키는 주소는 백터에 저장되어 있음.

I/O device는 자체적인 cpu(controller)를 가짐. device를 통제. buffer(register data, memory)와 register 등을 포함.
cpu는 I/O에 원하는 명령(instruction)을 I/O의 register에 저장. register의 명령 아래에 디바이스로부터 데이타를 로딩하고 그 값은 자신의 buffer에 저장. controller는 cpu에 인터럽트를 통해 데이타를 전송.
device driver : 커널의 코드로서 컴퓨터가 I/O장치를 처리하기 위한 루틴.
firmware : I/O Controller가 자신의 device를 통제하기 위한 루틴으로서 코드.

동기식 입출력 : 프로세스가 자신의 작업을 완료하기 위하여, I/O에 데이타를 read 혹은 write 작업을 수행하고 그 수행의 결과가 나와야지만 이후 작업을 진행할 수 있는 방식.
비동기식 입출력 : I/O의 입출력을 요청하더라도, 그 결과를 기다릴 필요가 없다. 프로세스 내부의 다른 작업을 진행하며, 해당 입출력이 도착하면, 그때 남은 작업을 처리한다.
동기식 입출력 상황에서 프로세스가 deivce queue에 디바이스를 대기하며 동시에 cpu를 소유하면, cpu의 자원을 낭비. 비동기식 입출력의 경우 cpu를 계속 사용하며 작업을 처리할 수 있음. 그러므로 이 상황에서는 (1) cpu의 통제권을 유지하기보다 (2) 다른 프로세스에 cpu의 통제권을 넘김(Context Switch)
Synchronous read : I/O로부터 값을 읽은 후에 진행 가능한 작업.
Synchronous writer : I/O가 값을 저장한 후에 진행 가능한 작업.

출처 : http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323
이화여대 반효경 교수의 영상강의를 주요자료로 하여 운영체제를 학습하고 정리하고 있습니다.

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