[OS] System Structure & Program Execution

🫧 System Structure

이미지 출처

🩵 CPU(Central Processing Unit)

• 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 장치
• 명령어를 해석하고 실행하는 역할 - fetch-Decode-Execute-Store
• CPU는 클럭 사이클마다 메모리 내에 명령어를 하나씩 읽어서 수행
• 모든 프로그램과 시스템이 작동하는 데 필요한 연산을 수행

🤍 Register

• CPU 내부에 존재하는 초고속 임시 기억 장치
• 명령어와 데이터를 임시로 저장하여 빠르게 처리하는 역할

🤍 Mode Bit

• 운영체제와 사용자 프로그램 간의 권한을 구분하기 위한 비트
• CPU의 실행 모드를 결정하는 역할

1. 커널 모드(Kernel Mode, Supervisor Mode, Monitor Mode)

• 0
• 운영체제가 실행되는 모드
• 모든 명령어와 자원에 접근 가능(특권 명령 실행 가능)

2. 사용자 모드(User Mode)

• 1
• 일반 응용 프로그램이 실행되는 모드
• 제한된 명령어만 실행 가능

Mode Bit의 사용 목적

• 사용자 프로그램이 운영체제의 중요한 자원을 무단으로 변경하는 것을 방지
• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제가 피해가 가지 않도록 보호

🤍 Interrupt Line

• CPU와 외부 장치간에 신호를 전달하는 하드웨어 회선
• CPU가 특정 이벤트(입출력 완료, 오류 발생 등)를 인식하도록 함

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🩵 Timer

• 특정 프로그램이 CPU를 독점하지 못하도록 시간을 제한하고,
  일정 주기로 인터럽트를 발생시키는 장치
• 운영체제는 타이머를 활용해 CPU 스케줄링 및 멀티태스킹을 관리
• Time Sharing(시분할)을 구현하기 위해 사용

🤍 Timer 동작 과정

1. 운영체제가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨줄 때 타이머 시간 세팅
2. 사용자 프로그램은 할당된 시간동안 CPU를 사용하고,
   할당된 시간이 종료되면 타이머 인터럽트 발생
3. CPU는 명령어 실행과 인터럽트 라인 확인을 반복
4. 인터럽트가 들어오면 CPU는 작업을 멈추고 CPU 제어권은 운영체제에게 넘어감

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🩵 DMA Controller

• DMA(Direct Memory Access, 직접 메모리 접근)은 CPU를 거치지 않고
  주변 장치(디스크, 네트워크 카드, 그래픽 카드 등)가 메모리와 직접 데이터를 주고받을 수 있도록 하는 기능
• DMA를 관리하는 하드웨어가 DMA Controller다.
• DMA Controller는 메모리를 접근할 수 있는 장치다.

🤍 DMA Controller의 역할

• 운영체제는 CPU가 효율적으로 동작하도록 자원을 관리하는 역할
• 입출력(I/O) 작업은 CPU가 직접 처리하면 성능이 저하될 수 있기 때문에
  DMA Controller를 이용해 CPU의 부담을 줄인다.
  • DMA를 사용해 I/O장치와 메모리 간의 데이터 전송을 CPU 개입없이 가능
  • DMA Controller는 I/O장치(로컬 버퍼)와 메모리 간 데이터를 직접 이동한다.
  • DMA는 데이터를 바이트 단위가 아닌 블럭 단위로 전송하고,
    데이터 전송이 완료되었을 때 인터럽트를 발생시킨다(인터럽트 발생 빈도 저하)

🤍 DMA Controller의 동작 과정

1. CPU가 DMA Contorller에게 요청: I/O 장치에서 특정 메모리 영역으로 데이터 전송을 요청
2. DMA Controller가 전송 수행: CPU의 개입없이 I/O 장치와 메모리 간 데이터 이동
3. 전송 완료 후 CPU에게 알림: DMA 완료 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알림
4. CPU가 후속 작업을 수행

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🩵 Memory Controller

• CPU와 메인 메모리(RAM)간의 데이터 이동을 관리하는 하드웨어 장치
• 운영체제와 CPU가 메모리에 직접 접근하지 않고, Memory Controller를 통해 데이터를 읽고 쓰는 구조

🤍 근데 CPU가 메모리에 직접 접근하지 않는다고?

• 과거에는 Memory Controller가 CPU 외부에 존재했지만,
  현대 CPU는 Memory Controller를 CPU 내부에 포함
• CPU가 메모리와 직접 통신할 수 있어 속도가 훨씬 빨라짐

🤍 Memory Controller의 또 다른 역할

• CPU와 DMA가 동시에 메모리에 접근할 경우 접근 순서를 조정해 충돌을 방지하는 역할

🩵 Device Controller

✅ CPU는 바쁘다! 그리고 I/O에 직접 접근하지 않는다.
✅ CPU 실행 중에 I/O의 작업 상태 보고, 작업 명령을 내리기 위해 Device Controller에게 위임한다.

• CPU와 I/O 장치 사이에서 데이터를 중재하는 하드웨어
• 운영체제가 장치를 직접 제어하는 대신, Device Controller가 대신 장치를 관리하고 제어
• I/O장치 내부를 통제하는 작은 CPU역할
• CPU와의 속도 차이로 인해 컨트롤러를 둠

🤍 Device Controller의 역할

• I/O 장치의 제어 및 데이터 전송
• CPU와 I/O 장치 간의 데이터 변환
• 버퍼링(Buffering) 및 캐싱(Caching):
  I/O 속도는 CPU보다 느리므로, 버퍼(Buffer)를 활용해 데이터를 미리 저장하고 전송
• 인터럽트 발생
• DMA 지원:
  CPU 개입 없이 Device Controller가 메모리와 직접 데이터 전송 가능

🤍 Device Controller의 동작 과정

1. CPU가 I/O 작업 요청
2. Device Controller가 해당 장치에 명령 전송
3. Device가 작업 수행
4. 작업 완료 후 인터럽트 발생
5. CPU가 데이터 처리 진행

🩵 Local Buffer

• I/O 장치 내부에 존재하는 메모리 공간(Device Controller의 작업 공간)
• 데이터가 CPU 또는 메모리로 전송되기 전에 임시로 저장되는 버퍼
  • CPU가 데이터를 요청하면, 장치는 데이터를 Local Buffer에 먼저 저장
  • 데이터를 한 번에 보내는 것이 아니라 버퍼에 모아서 전송해 성능 향상
• CPU와 I/O 장치 간 속도 차이를 완화하는 역할
  • 버퍼링(버퍼를 사용)을 통해 CPU가 I/O 장치를 기다리지 않고 계속 실행 가능

🤍 Device Controller와 Local Buffer

디스크에서 파일을 읽는 과정
CPU ↔ Device Controller ↔ Local Buffer ↔ Disk

1. CPU가 디스크에서 파일 읽기 요청 - Device Controller가 요청을 받음
2. Device Controller가 디스크에서 데이터를 읽어 Local Buffer에 저장
3. Local Buffer가 가득차면, 데이터를 한 번에 메모리로 전송
4. 전송이 완료되면 인터럽트를 발생시켜 CPU에 알림

✨ 디스크는 속도가 느리므로, Local Buffer를 이용해 데이터 전송을 최적화

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🫧 Program Execution

1. 프로그램 로드 및 실행 준비

• 운영체제가 실행할 프로그램과 필요한 데이터를 메모리에 로드
• CPU는 운영체제의 명령에 따라 프로그램의 시작 주소로 제어권을 이동시켜 실행 시작

2. CPU 명령 실행

• CPU는 명령어 사이클(Fetch, Decode, Execute)을 반복하여
  메모리에서 프로그램 명령을 읽어와 해석하고 실행

3. I/O 작업 요청 발생

• 프로그램 실행 중 I/O 작업이 필요할 때, CPU는 Device와의 데이터 전송을 요청
• 이 과정에서 CPU는 Device Controller와 DMA Controller를 통해 I/O 작업을 처리

4. DMA Controller를 통한 데이터 전송

(1) CPU의 요청

• 전송할 메모리 주소, 전송할 데이터 크기, 데이터를 전송할 I/O 디바이스 정보
• CPU는 위의 정보를 DMA Controller에게 전달
• 이후 DMA Controller가 데이터 전송을 처리하도록 제어권을 넘김

(2) DMA Controller와 Device Controller의 협력

• Device Controller는 연결된 I/O 장치와의 세부 작업을 처리하며,
  데이터를 버퍼에 저장하거나 버퍼로부터 읽어옴
• DMA Controller는 메모리와 Device Controller 간의 데이터 전송을 CPU 개입없이 직접 수행

(3) 작업 완료 알림

• 데이터 전송이 완료되면 DMA Controller는 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 작업 완료를 알림

5. CPU의 후속 작업

• CPU는 인터럽트를 처리하고 I/O 작업 결과를 확인
• 이후, 프로그램의 다음 명령어를 실행하며 계속해서 작업을 진행

6. Timer의 역할

• 운영체제가 CPU 사용 시간을 관리하기 위해 주기적으로 인터럽트를 발생시킴
• Timer를 통해 프로세스가 CPU를 독점하지 못하도록 조정

7. 프로그램 종료

• 프로그램이 모든 명령을 실행하고 종료하게 되면
  • CPU는 제어권을 운영체제에 반환
  • 운영체제는 사용했던 메모리, 디바이스 등을 자원을 정리하고 다른 작업을 준비