1. 🖥 프로그램의 구조와 인터럽트

컴퓨터 프로그램은 어떠한 프로그래밍 언어도 작성되었든 그 내부 구조는 함수들로 구성된다
프로그램이 CPU에서 명령을 수행하려면 해당 명령을 담은 프로그램의 주소 영역이 메모리에 올라가 있어야 한다

⚡️ 주소영역

코드(code) 영역

• 사용자가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령(machine instruction) 형태로 변환되어 저장되는 부분

데이터(data) 영역

• 전역 변수(global variable) 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 부분

스택(stack) 영역

• 함수가 호출될 때 호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시로 저장하는 데에 사용되는 공간

⚡️ 함수의 호출과 인터럽트 동작원리

• 함수는 스택, 인터럽트는 프로세스 제어블록에 저장
• 둘의 작동 원리는 비슷하다

함수의 호출

• X 함수가 수행 중에 Y 함수를 호출한 경우 프로그램은 X 함수에서 Y 함수를 호출한 지점을 스택에 저장
• 함수가 수행된 후 스택에 저장된 주소 위치로 돌아와 X 함수 계속 수행
• 함수가 호출되면 다음에 실행할 명령(instruction)의 메모리 위치가 변경됨

인터럽트

• A 프로그램이 CPU를 할당 받고 명령 수행 도중 인터럽트 발생
• A는 현재 수행 중인 명령의 위치를 프로세스 제어블록에 저장
• 인터럽트 처리 루틴으로 넘어가서 인터럽트 처리
• A의 저장된 작업 지점부터 이어서 수행

2. 🖥 컴퓨터 시스템의 작동 개요

프로그램 카운터(Program Counter: PC)

CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고 있는 레지스터

• 조건문, 반복문, 함수호출 등에 의한 주소 이동이 없는 이상 코드가 순차적으로 수행

컴퓨터 시스템 구성

• 컴퓨터의 시스템을 구성하는 하드웨어
  • CPU와 메모리
• 입출력 장치와 이들을 전담하는 작은 CPU와 메모리
  • 입출력 컨드롤러와 로컬버퍼

3. 🖥 프로그램의 실행

⚡️ 프로그램의 실행(program execution)

1. 디스크에 존재하던 실행파일이 메모리에 적재
2. 프로그램이 CPU를 할당받고 명령(instruction)을 수행

• 프로세스의 주소 공간은 코드, 데이터, 스택 등으로 구성
• 각 프로그램마다 이러한 주소 공간을 가짐
  • 가상메모리(virtual memory) 또는 논리적 메모리(logical memory)
  • 실제 물리적 메모리의 주소와 독립적으로 각 프로그램마다 독자적인 주소 공간을 가짐
• 운영체제도 프로그램이므로 운영체제 커널의 주소 공간도 코드, 데이터, 스택으로 구성

커널의 코드 영역

• CPU, 메모리 등의 자원을 관리하기 위한 부분
• 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공하기 위한 부분
• 시스템 콜 및 인터럽트를 처리하기 위한 부분

커널의 데이터 영역

• CPU와 메모리같은 하드웨어 자원 및 수행 중인 프로그램을 관리하기 위한 자료구조 저장
• 하드웨어와 소프트웨어를 포함하는 시스템 내의 모든 자원을 관리하기 위한 자료구조 유지

프로세스(process)

프로세스란 현재 수행 중인 프로그램

• 각 프로세스의 상태, CPU 사용 정보, 메모리 사용 정보 등을 유지하기 위한 자료구조인 PCB가 있다

커널의 스택 영역

프로그램이 자기 자신의 코드 내에서 함수호출 및 복귀 주소를 유지하기 위해서는 자기 주소 공간 내의 스택 사용
시스템 콜이나 인터럽트 등으로 운영체제의 코드가 실행되는 중에 함수호출이 발생할 경우 커널 스택 사용

• 함수호출시의 복귀 주소를 저장하기 위한 용도로 사용
• 현재 수행 중인 프로세스마다 별도의 스택을 두어 관리
  • 프로세스가 함수를 호출할 때 자기 주소 영역 내부에 정의된 함수를 호출하면 자신의 스택에 복귀 주소를 저장
  • 프로세스가 특권명령을 수행하려고 커널에 정의된 시스템 콜을 호출하고 시스템 콜 내부에서 다른 함수를 호출하는 경우 복귀 주소는 커널 내의 주소가 되어 사용자 프로그램의 스택과는 별도의 저장공간 필요
• 커널은 일종의 공유 코드로 모든 사용자 프로그램이 시스템 콜을 통해 커널의 함수 접근 가능
  • 일관성 유지를 위해 각 프로세스마다 커널 내에 별도의 스택을 둠

4. 🖥 사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 사용자 정의함수
• 라이브러리 함수
  • sin(), printf()
• 커널함수
  • 시스템 콜 함수, 인터럽트 처리 함수
  • read(), write()

	사용자 정의 함수	라이브러리 함수	커널함수
정의	프로그래머 본인이 직접 작성한 함수	이미 누군가 작성해놓은 함수를 호출만 하여 사용하는 함수	커널의 코드에 정의된 함수
종류	-	-	시스템 콜 함수, 인터럽트 처리 함수
저장 공간	사용자 프로그램의 코드 영역	사용자 프로그램의 코드 영역	운영체제 커널의 주소 공간
함수호출시 사용하는 스택	사용자 프로그램의 주소 공간에 있는 스택	사용자 프로그램의 주소 공간에 있는 스택	커널의 스택
실행 과정	사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행	사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행	운영체제에 CPU를 넘겨서 실행
함수예시	taeleebabo(), kido_calm_down()	sin(), printf()	read(), write()

5. 🖥 인터럽트

• CPU는 매번 프로그램 카운터가 가리키고 있는 지점의 명령을 하나씩 수행 후 다음 명령 수행 직전에 인터럽트 라인이 세팅되었는지 확인
  • 인터럽트 발생시 현재 수행중이던 프로세스 중단 후 운영체제의 인터럽트 처리루틴으로 이동해 인터럽트 처리

⚡️ 인터럽트 처리 중에 또 다른 인터럽트 발생

• 원칙적으로는 인터럽트 처리 중에 또 다른 인터럽트가 발생하는 것 허용X
  • 데이터의 일관성이 유지되지 않기 때문
  • 인터럽트를 처리하는 중에 운영체제 커널에 정의된 데이터를 변경하고 있는데 다른 인터럽트가 발생해 앞선 인터럽트에서 변경 중이던 데이터를 또다시 변경하게 되면 두 인터럽트에 의해 데이터가 원래 의도하지 않았던 결괏값으로 변경될 수 있기 때문
    

🥊 예외

현재 처리중인 인터럽트보다 더 시급하거나 CUP를 당장 사용해야하는 경우

• 인터럽트마다 중요도가 상이
• 중요도가 더 높은 인터럽트가 발생하는 것을 허락
• 이 경우 현재 처리 중인 인터럽트 코드 수행 지점을 저장 후 우선순위가 높은 인터럽트를 먼저 처리

6. 🖥 시스템 콜

자신의 주소 공간을 거스르는 영역(커널)에 존재하는 함수를 호출

• 스스로 인터럽트 라인에 인터럽트를 세팅
• 그 외엔 일반적인 인터럽트의 발생과 동일

시스템 콜 사용의 예) 디스크의 파일 입출력

• 사용자 프로그램이 CPU에서 명령 수행 중 디스크 파일을 읽어와야해 시스템 콜로 커널함수 호출
• 사용자 프로그램은 인터럽트 라인을 세팅
• CPU는 다음 명령을 수행하기 전에 인터럽트가 발생했는지 점검
• 인터럽트 인지하면 현재 수행 중인 사용자 프로그램 중단
• CPU의 제어권을 운영체제에 이양
• 운영체제는 설정된 인터럽트 라인으로 이번 인터럽트가 입출력 요청 인터럽트임을 인지
• CPU는 디스크 컨트롤러에게 파일 읽어오라고 명령
• 디스크 컨트롤러가 데이터를 읽어오는 동안 CPU는 다른 프로세스에게 제어권 이양
• 다른 프로세스가 CPU에서 명령 수행 중 입출력 작업이 완료되면 디스크 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트 발생
• CPU는 사용자 프로세스 중단 후 인터럽트 처리루틴으로 제어권 이양 (하드웨어 인터럽트)
• 디스크로부터 로컬버퍼로 읽어온 내용을 컴퓨터 내의 메모리로 복사
• 디스크 입출력을 요청했던 프로세스에게 다시 CPU를 획득할 수 있는 권한 허락
• 해당 프로세스는 CPU를 기다리는 큐에 삽입
• CPU 제어권은 인터럽트를 당항 프로세스에게 이양해 작업 마저 수행

7. 🖥 프로세스의 두 가지 실행 상태

• 사용자모드에서의 실행 상태(user mode running)
  프로세스가 자신의 주소 공간에 정의된 코드를 실행

• 커널모드에서의 실행 상태(kernel mode running)
  프로세스가 커널의 시스템 콜 함수를 실행

🚨 시스템 콜을 통해 실해되는 것이 프로세스의 코드가 아닌 운영체제 커널의 코드여도 프로세스가 실행 상태에 있다고 지칭 (커널이 실행 상태에 있다X)
🥊 프로세스가 커널모드에서 실행중