[OS] System Structure & Program Execution

OS

컴퓨터 시스템 구조

• CPU : 매 클럭사이클마다 메모리에서 기계어를 하나씩 읽어서 실행하게 된다.

  • registers : 정보를 저장할 수 있는 작은 공간
  • mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 아니면 사용자 프로그램인지 구별해주는 곳, 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치
    • Mode bit 1 : 사용자 모드 - 사용자 프로그램 수행, 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅
    • Mode bit 0 : OS 코드 수행, Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꾼다.
  • Interrupt line : I/O 디바이스들을 접근하는 것?

• Timer : time sharing을 구현 및 현재 시간을 계산하기 위해 사용

  • 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생
  • 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
  • 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
  • CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호

• I/O device controller : I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알린다.

  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register, local buffer를 가진다.

• DMA(Direct Memory Access) controller : 입출력장치와 메모리 사이 데이터 흐름에서 CPU를 배제하기 위해 사용하는 입출력 제어 방식

  • 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
  • CPU의 중재 없이 device controllor가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
  • 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

입출력(I/O)의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • 시스템 콜(system call) : 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김

인터럽트(Interrupt)

• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴을 넘긴다
• 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 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있다.
  • 인터럽트 처리 루틴 : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

시스템 콜(system call)

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 하는 것

동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다.
• 동기식 입출력(synchronous I/O)
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
  • 구현 방법 1
    • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
    • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
  • 구현 방법 2
    • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게 CPU를 줌
• 비동기식 입출력(asynchronous I/O)
  • I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

서로 다른 입출력 명령어

• 좌측 그림은 메모리에 접근하는 instruction이 따로 존재하고 I/O을 하려는 special instruction에 의해서 I/O를 하게 만들어진 것이다.
• 우측의 그림은 I/O 장치도 메모리주소에 연장주소를 붙힌 다음에 만약에 Primary Memory가 100번지라고 한다면 메모리 접근이고 Device 0 대해서 메모리 접근하는 instruction을 한다면 사실 메모리접근이아니고 I/O을 하는 것이다. 우측에 있는 것을 Memory Mapped라고 한다.

저장장치 계층 구조

• Primary(Executable) : 가격이 비싸고, 속도가 빠르며 용량이 적다. 휘발성 매체, CPU에서 직접 접근 가능

  • Registers
  • Cache Memory
  • Main Memory

• Secondary : 가격이 싸고, 속도가 느리며, 용량이 크다. 비휘발성 매체, CPU에서 직접 접근 불가능

  • Magnetic Disk(HDD)
  • Optical Disk
  • Magnetic Tape

Caching : 재사용을 목적으로 사용

커널 주소 공간의 내용

사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 함수
  • 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

프로그램의 실행

본문 출처 : 운영체제 - 이화여자대학교 반효경