Mode bit
- 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
- Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두가지 모드의 operation 지원
- 1: 사용자 모드 - 사용자 프로그램 수행(CPU가 사용자 프로그램 수행)
- 제한된 instruction만 CPU에서 수행 가능
- 0: 모니터 모드 - OS 프로그램 수행(운영체제가 CPU에서 수행 - 커널 모드)
- 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권 명령으로 규정
- Interrupt나 exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0 으로 바꿈
- 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기전에 mode bit을 1로 셋팅
- 1: 사용자 모드 - 사용자 프로그램 수행(CPU가 사용자 프로그램 수행)
- 운영체제가 제어권을 가지고 있으면 mode bit ⇒ 0
: 모든 기계어집합 다 실행 가능. 모든 인스트럭션 가능- 1이라면, 사용자 프로그램이 CPU를 가지고 있음. 한정된 instruction만 실행. 자기 메모리 주소 영역만 보고 일을해야 하기 때문에 막아 놓았음
Timer
- 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
- 타이머는 매 클릭 틱 때마다 1씩 감소
- 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
- CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
- 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
- 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용
Device Controller
- I/O device controller
- 해당 IO 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
- 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
- local buffer를 가짐 - 일종의 data register
- IO는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
- Device controller는 IO가 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(IO)의 수행
- 모든 입출력 명령은 특권 명령 - 운영체제를 통해서만 접근 가능
- 사용자 프로그램은 어떻게 IO를 하는가?
- 시스템 콜(system call)
- 사용자 프로그램은 운영체제에게 IO 요청
- trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
- 제어권이 인터렙트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
- 올바른 IO 요청인지 확인후 IO 수행
- IO 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김
- 시스템 콜(system call)
인터럽트 (Interrupt)
- 인터럽트
- 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 prgram counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다
- Interrupt (넓은 의미)
- Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
- Trap(소프트웨어 인터럽트)
- Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
- System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
- 인터럽트 관련 용어
- 인터럽트 벡터 - 종류마다 어디 함수를 사용해야 하는지
- 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
- 인터럽트 처리 루틴(= interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
- 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
- 인터럽트 벡터 - 종류마다 어디 함수를 사용해야 하는지
IO 요청 → 소프트웨어 인터럽트 → IO의 일 다 끝났으면 하드웨어 인터럽트 통해 끝났음을 알려줌.
현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨 = 운영체제는 인터럽트 들어올 때 CPU 사용 그렇지 않으면 사용자 프로그램이 사용
시스템 콜(system call)
- 사용자프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
- 사용자 프로그램이 운영체제 부탁할 때
동기식 입출력과 비동기식 입출력
- 동기식 입출력(synchronous IO)
- IO 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
- 구현 방법 1
- IO가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
- 매시점 하나의 IO만 일어날 수 있음
- 구현 방법2
- IO가 완료될 때까지 해당 프로그램에서 CPU를 빼앗음
- IO 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
- 다른 프로그램에게 CPU를 줌
- 비동기식 입출력(asynchronous IO)
- IO가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
- 결과를 보지 않고 그동안에 뭔가 다른 작업도 한다.
두 경우 모두 IO의 완료는 인터럽트로 알려줌
DMA(Direct Memory Access)
: cpu 뿐만아니라 메모리 접근할 수 있는 장치 - cpu 인터럽트 빈도를 낮추고 더 효율적으로 관리
- 빠른 입출력 장치(인터럽트를 자주 건다.)를 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 인터럽트를 발생 시킴
프로그램의 실행
프로그램: 파일 시스템에 존재하는 실행파일, 파일 형태로 하드디스크에 존재
프로세스: 운영체제에 의해 프로그램이 메모리에 적재되고 자원을 할당받아 실행중인 프로그램, 프로그램을 실행시키면 CPU를 차지하면서 하는 수행 그 자체
프로세서: 프로그램을 수행하는 하드웨어 또는 시스템
사용자 프로그램 실행 → 가상 메모리 : 주소 공간이 만들어진다. (기계어 Code/ Data - 자료구조 / Stack - 함수 호출 리턴할 때 사용)
→(주소변환) → 물리적 메모리에 올려서 사용 - 당장 필요한 부분만 올린다. 그래야 메모리가 낭비 되지 않는다. 당장 필요하지 않으면 swap area에 가게 된다.
사용자 프로그램이 사용하는 함수
- 함수(function)
- 사용자 정의 함수
- 자신의 프로그램에서 정의한 함수
- 라이브러리 함수
- 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
- 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다.
- 커널 함수
- 운영체제 프로그램의 함수
- 커널 함수의 호출= 시스템 콜
- 사용자 정의 함수
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