[OS] System Structure & Program Execution 1

kmjoo·2021년 12월 27일

운영체제

운영체제 | KOCW 이화여대(반효경)

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강의 목표

컴퓨터 시스템에서 하드웨어가 어떻게 동작하는지 이해
프로그램들이 하드웨어 위에서 어떻게 돌아가는지 이해

컴퓨터 시스템의 하드웨어 구조

Computer : CPU + Memory
I/O device
- Input : I/O device의 데이터가 Computer 안으로 들어가는 것
  - input device : 키보드
- Output : Computer에서 처리한 결과를 I/O device로 내보내는 것
  - output device : 프린터, 모니터

Memory

CPU의 작업 공간
- CPU는 매 clock cycle마다 Memory에서 instruction을 하나씩 읽어서 실행

Disk

보조기억장치로 이야기하나, I/O device로 보기도 함
- 하드디스크 내의 데이터를 메모리로 읽어들이기도 함(Input device의 역할)
- 처리 결과를 Disk의 file system에 저장하기도 함 (Output device의 역할)

device controller

각각의 I/O device에 있는, 그 device를 전담하는 일종의 작은 CPU
- CPU와 I/O device들의 처리 속도 차이 매우 큼 (CPU와 Disk의 처리 속도는 100만배 차이)
  - 따라서 Disk 내에서의 처리는 CPU에서 담당하지 않고, device controller가 수행
ex) disk의 헤더를 어떻게 움직이고, 어떤 데이터를 읽을지 등 disk의 내부를 통제하는 역할

local buffer

device controller들의 작업 공간
- CPU와 Memory의 관계처럼!

register

CPU 내에 있는 정보를 저장할 수 있는 작은 공간
Memory보다 더 빠름

memory controller

Memory도 하나의 device이기 때문에, 이를 전담하는 controller가 존재

mode bit

현재 CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지 구분해주는 것 (= CPU를 OS가 가지고 있느냐, 사용자 프로그램이 가지고 있느냐를 나타내는 것)
- 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치
  
  0 : 모니터모드 (=커널 모드, 시스템 모드)
  → OS 코드 수행
  1 : 사용자 모드
  → 사용자 프로그램 수행

interrupt line

CPU가 I/O device에 요청한 일이 끝나면, I/O device는 interrupt를 통해 CPU에게 이 사실을 알림
- CPU는 매 instruction이 끝날 때마다 interrupt line을 확인, 들어온 interrupt가 있다면 이를 우선적으로 처리

timer

특정 프로그램에 CPU를 1회 할당하는 시간을 체크하는 역할
- 할당된 시간이 지나면 interrupt를 통해 CPU에게 이 사실을 알림
특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막는 역할

동작 과정

CPU는 오로지 Memory에 올라온 instruction을 실행하는 역할만을 수행한다.

컴퓨터를 처음 켜면, 최초에 OS가 CPU를 가지고 있다가, 여러 프로그램이 실행되면 프로그램에게 CPU를 넘겨줌
1-1. 이 때, timer에 일정 값을 세팅한 상태로 프로그램에게 CPU를 넘겨줌
1-2. Mode bit도 0 -> 1로 변경
timer에 설정한 시간이 지나면, timer가 CPU에 interrupt를 걸음
CPU는 하나의 instruction이 끝날 때마다 interrupt line을 체크함
interrupt가 있다면, CPU가 하던 일을 잠시 멈추고 CPU 제어권이 프로그램에서 OS로 넘어옴.
4-1. Mode bit도 1->0 으로 변경
OS는 아까까지 실행된 프로그램 이외의 다음 프로그램에 CPU를 넘겨줌
5-1. 마찬가지로 timer에 일정 값을 세팅
5-2. Mode bit도 0->1 로 변경
프로그램이 종료되면 자동으로 CPU를 반납하게 됨

timer 설정의 이유

사용자 프로그램이 독점적으로 CPU를 계속 쓸 수 있는 것이 아니라, 할당된 시간까지만 사용가능하도록 함
- 한 프로그램이 CPU만 쓰는 무한루프만 돌 경우, CPU가 다른 프로그램으로 넘어가지 못해서 time sharing이 불가능한 문제를 막기 위함
타이머는 매 클럭 틱마다 1씩 감소하며, 0이 되면 timer interrupt 발생
time sharing 구현을 위해 널리 이용됨
현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

I/O 과정

보안 상의 문제로 사용자 프로그램은 자신이 직접 I/O device, 다른 프로그램이나 OS의 Memory 공간에 접근하는 것이 불가능하다.
즉, I/O device에 접근하는 모든 instruction은 OS를 통해서만 가능하다.
그렇다면 사용자 프로그램에서 I/O가 필요할 때에는 어떤 과정을 거쳐야 하는가?

사용자 프로그램이 CPU 제어권을 가지고 실행되는 중
1-1. Mode bit 1인 상태
사용자 프로그램에서 I/O가 필요한 instruction의 실행 순서가 됨
프로그램이 system call을 통해 OS에게 I/O 요청을 전달
3-1. 프로그램이 직접 interrupt line을 세팅하는 instruction을 세팅
CPU는 다음 instruction을 실행하기 이전에 interrupt를 발견
4-1. Mode bit가 1 -> 0 으로 변경
4-2. CPU 제어권이 OS로 넘어감
OS는 올바른 I/O 요청인지를 확인 후 I/O 수행
5-1. 해당하는 device controller에 요청 전달
5-2. I/O device는 요청에 따라 데이터를 찾음
5-3. CPU는 다른 instruction을 실행하거나, I/O 작업결과 없이 instruction을 실행할 수 없는 상황이라면 다음 프로그램으로 CPU 제어권 이동시키며 작업 재개
I/O 작업 완료 시 찾은 데이터를 I/O device의 local buffer에 저장
I/O device에서 hardware interrupt를 걸음
7-1. local buffer에 저장된 data를, 해당 I/O 요청을 한 프로그램의 memory 공간에 저장 (누가? DMA Controller가!)
CPU 제어권을 system call 다음 명령으로 옮김
=> 정상 실행

System Call 후의 CPU의 상황

OS는 system call에 따라 I/O 요청을 전달하고 난 후, 이를 요청한 프로그램이 아닌 다른 프로그램에 CPU를 넘김
- I/O는 시간이 오래 소요되므로
- 그렇다면 해당 프로그램은 언제 다시 CPU를 얻게 되는가?
  - I/O controller가 입력을 끝내서 CPU에 interrupt를 걸면,
  - OS에 CPU 제어권이 넘어감
  - CPU가 실행중인 작업을 멈추고 interrupt에 해당하는 작업 수행
  - interrupt 때문에 멈춘 프로그램에 다시 CPU를 할당
  - 해당 프로그램의 timer가 끝나면, 다음 프로그램으로 정상적으로 넘어감
  - 언젠가 순서가 되면.. I/O 요청을 한 프로그램이 CPU를 얻게 됨
    - https://www.sony.co.kr/electronics/support/articles/S500082584

Mode bit에 따른 접근 제한

커널모드(Mode bit==0)일 때는 제한 없음
- Memory 접근 가능
- I/O device에 접근하는 instruction 가능
사용자 모드(Mode bit==1)일 때는 제한된 instruction만 CPU에서 실행 가능
- 보안 상의 목적
- OS가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨줄 때 mode bit을 1로 바꾸어서 넘겨줌
- instruction을 실행하다가 I/O 장치로 접근하거나, 다른 프로그램/OS의 메모리 공간에 접근하는 등의 시도를 하면, mode bit이 1인 것을 확인하고 instruction 실행을 막도록 하드웨어적 구현을 해둠
- interrupt가 들어오면 CPU 제어권이 운영체제로 넘어가면서 mode bit이 0으로 바뀜

세부 개념

`Device Controller의 구성`

제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
- 제어 정보를 위한 register : CPU가 device에 일을 시킬 때 “그 register를 통해서 무슨 일을 하라”고 지시하기 위한 것
data를 저장하는 local buffer를 가짐 (일종의 data register)
- input data를 담고 있다가 memory에 옮기기 위함이거나, 화면에 출력할 data를 담고 있기 위함 등
I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
용어 정리
- device driver (장치 구동기)
  - OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 → software
  - 운영체제의 코드 중에서 각 device로 접근/처리하기 위해서 그 device의 인터페이스가 있음. 그것에 맞게 접근할 수 있게 해주는 소프트웨어 구조
- device cotroller (장치 제어기)
  - 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → hardware

DMA Controller

: Direct Memory Access controller (직접 메모리를 접근할 수 있는 컨트롤러)

memory는 원칙적으로는 CPU만 접근할 수 있음
- CPU는 memory 접근 가능, local buffer 접근 가능
- device controller는 자기 자신의 local buffer만 접근 가능
따라서 기본적으로는, I/O가 끝나서 hardware interrupt가 발생하면, CPU가 I/O device의 local buffer에 접근해서 해당 데이터를 memory 공간에 복사해와야 함
- 이러한 방식은 너무 overhead가 큼
memory에 접근할 수 있는 장치를 하나 더 생성 : DMA controller
- CPU는 계속 자신의 일을 하고 있도록 함
- local buffer에 들어온 내용이 작업이 끝났으면 DMA가 직접 해당 data를 메모리에 복사하는 일까지 담당
- memory에 접근하는 것이 2개가 되었으므로, 관리 필요
  - 둘이서 특정 메모리 영역을 동시에 접근하면 문제가 생길 수 있으므로, memory controller가 이를 중재
- 이 일이 끝났으면 CPU에 interrupt를 한번만 걸어서, 해당 작업이 완료되었음을 보고

CPU와 Disk의 실행 코드

Program Counter(PC) register가 CPU가 실행해야 하는 instruction의 메모리 주소를 가지고 있음. 그것을 실행하는 것이 CPU의 숙명
그 instruction 중, I/O device에 접근해야 하는 경우가 생기면 device driver를 통해서 device에 읽거나 쓰기 명령을 하게 됨
- device driver는 실제로 disk에서 head를 움직여서 읽고 쓰게 하는 코드는 아님
- 그 코드는 disk controller가 해당 코드의 지시를 받아서 일을 하게 됨
CPU는 본인이 직접 일을 하는 것은 아니고, memory에 있는 instruction의 지시를 받아서 매번 일을 하게 됨
- device driver도 본인이 일을 하기 위해서는 매뉴얼이 있음(disk 내의 펌웨어 : device를 동작하기 위해서는 어떤 일을 해야하는지에 대한 실행하는 instruction code)
- device driver는 CPU가 실행하는 코드 (장치를 실행하기 위해서 필요한 코드)를 담고 있음
CPU는 직접 일을 할 수 없고 매뉴얼대로 일을 함
- 매뉴얼에는 메모리 몇번지에 있는 일을 하라고 적혀있음
- 이에 대한 전체적인 통제는 OS가 함

입출력(I/O)의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령
- 특권명령 : OS만 할 수 있는(Mode bit 0일때만 할 수 있는) instruction
- 즉, 사용자 프로그램이 직접 I/O를 하지 못하고, OS를 통해서만 I/O 장치에 접근할 수 있음.
  - 사용자 프로그램이 disk에서 어떤 파일을 읽어와야 하는 경우 어떻게 하는가?
    - 시스템콜(system call) : 운영체제에게 요청
      - 운영체제에 커널 함수를 호출
        
        일반 함수호출과는 약간 다르다
사용자 프로그램을 실행하다보면 함수 호출을 하는 경우가 있다.
- 프로그램 안에서 함수 호출을 하는 것은 프로그램 내에서 메모리 주소를 바꾸면 됨
- 그런데 내 프로그램의 함수를 실행하다가 I/O 요청을 하기 위해 OS의 함수를 호출(system call)하는 것은 그냥 메모리 주소를 바꾸어서 되는 일은 아니고, 조금 더 복잡함
  - I/O를 해야할 때는 직접 OS로 주소 점프를 할 수 없음
    - 왜냐하면 나는 지금 사용자 프로그램이기 때문(mode bit이 1임)
    - 자신의 프로그램 메모리 주소 안에서만 점프가 가능하고, 함수 호출이 가능함
    - I/O를 하기 위해 운영체제에 해당하는 주소로 넘어가야 함
    - but mode bit이 1일때는 접근이 허용이 안됨
- device controller들이 CPU에 interrupt를 거는 방식으로 system call을 함
  - 프로그램이 직접 interrupt line을 세팅하는 instruction을 세팅함
  - CPU는 다음 instruction을 실행하기 이전에 interrupt가 들어왔으므로 mode bit이 0으로 바뀌고 CPU 제어권이 OS로 넘어감
  - OS는 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
    - OS가 disk controller에 요청
  - I/O 완료 시 하드웨어 인터럽트가 걸림 → 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김
- 즉, I/O를 하기 위해서 필요한 인터럽트는 2개임 (소프트웨어 인터럽트 / 하드웨어 인터럽트)

Interrupt

interrupt는 하드웨어 일꾼들이 CPU에게 정보 교신을 위해 걸수도 있고, 사용자 프로그램이 OS에 요청해야 하는 일을 할 때도 interrupt line을 세팅할 수도 있음
- Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트 / 좁은 의미의 interrupt
- Trap (소프트웨어 인터럽트)
  - Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
  - System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해서 구동된다.

OS는 CPU를 잡을 일이 없다.

interrupt가 들어올 때만 CPU가 OS로 넘어간다.

그렇지 않으면 CPU는 항상 사용자프로그램이 쓴다.

인터럽트의 종류가 굉장히 많음.
- 각각의 인터럽트 종류마다 OS가 해야할 일이 다름.
  - 각 인터럽트의 종류마다 무슨 일을 해야 하는지가 OS code에 정의되어 있음
  - 각 인터럽트마다 실제로 처리해야 하는 코드 : 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
    - 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
  - 어떤 인터럽트가 들어왔을 때 어떤 함수로 가야하는지 표시 : 인터럽트 벡터
    - 인터럽트 종류마다 그 인터럽트가 생겼을 때 어떤 함수를 실행해야 하는지, 함수의 주소들을 정의해둔 일종의 table

System call

: 사용자 프로그램이 I/O 등 (OS에게 뭔가를 부탁할 때) OS의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

Trap의 한 종류

질문

DMA를 사용하면 CPU가 interrupt 당하는 빈도가 줄어드는 이유? local buffer -> memory로 복사하는 instruction을 실행하지 않아도 되는 것이지, 빈도는 그대로이지 않나?
- 4강 참조
- I/O 작업 하나하나마다 interrupt를 거는 방식이 아니라, block 단위로 data를 쌓고, 이것을 DMA가 Memory로 카피하는 방식으로 진행됨. 따라서 기존의 byte 단위로 interrupt를 거는 방식보다 interrupt 빈도가 줄어들게 됨
위 작업(복사)를 CPU가 하지 않는다면, 결국 OS가 하는 일은 무엇인가
- 5강 참조
- I/O 작업이 끝나고나면 해당 프로세스의 상태를 blocked -> ready로 변경하는 등의 작업을 수행함
펌웨어의 개념

참고 링크

KOCW 운영체제 - 이화여대 반효경 교수 (2014-1) 3강

kmjoo

개발 취준생

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