시스템 구조

• CPU : 매 클럭 사이클 마다 메모리에서 인스트럭션을 읽어 실행
  • registers : 메모리보다 더 빠르면서 저장할 수 있는 공간
  • mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자의 프로그램인지 구분해주는 bit
  • Interrupt line : I/O device의 신호를 전달해주는 통로. 인스트럭션이 끝날 때마다 CPU가 체크한다. 들어온 신호가 있다면 운영체제에게 CPU가 넘어감.
• 메모리 : CPU의 작업공간
• I/O device : 별개의 입출력 장치. 프로그램은 접근을 못하고 운영체제를 통해서만 접근할 수 있다.
• device controller : I/O device를 전담하는 컨트롤러. 디스크의 내부를 통제
  • local buffer : device contoller의 작업 공간.
• timer : 특정 프로그램이 CPU를 할당된 시간 이후로 독점하는 것을 막음. Interrupt line을 통해 독점하고 있다는 사실을 알려줌. timer를 통해 시분할을 구현할 수 있다.

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치

• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

  1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
  0 모니터 모드 : OS 코드 수행 # 모니터 모드 = 커널모드, 시스템 모드

  • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권명령 으로 규정
  • Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
  • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

Timer

• 타이머
  • 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
  • 타이머는 매 클럭 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 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)

• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남

• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

• CPU가 local buffer에 접근하여 데이터를 받아옴.

• 그런데 CPU가 interrupt를 너무 많이 당하는 현상이 발생함. CPU가 비효율적으로 작동함

  • DMA controller(Direct Memory Access) : I/O 장치의 interrupt가 발생하였을 때 CPU가 데이터 전송을 하는 것이 아닌 DMA가 메모리에 직접 접근하여 데이터 전송을 도맡아 처리한다.

    CPU는 데이터 전송의 시작과 끝 부분에만 관여를 하고 DMA가 데이터 전송을 담당한다.

    작업이 끝났다면 DMA는 CPU에 interrupt를 보낸다.

    동시에 메모리에 접근하는 경우가 발생할 수 있기 때문에 이를 memory controller가 처리한다.

• device driver (장치 구동기)

  • OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> software

  • OS가 장치를 구동시키는 소프트웨어

  • CPU가 장치를 어떻게 처리해야되는지 알려주는 명세서.

    ※ firmware : ROM이라는 주기억장치에 저장되어 장치의 구동을 직접 제어

    장치의 인스트럭션

• device controller(장치 제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware

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

프로그램 내의 다른 함수 호출은 메모리 주소만 바꾸면 쉽게 가능하다. 하지만 프로그램 실행 중에 I/O에 의해 OS가 호출 되는 것은 쉬운 일이 아니다. mode bit이 1이기때문에 I/O의 명령은 불가능하다.

프로그램이 운영체제에게 요청하기 위해 interrupt를 요청한다. 그렇게 되면 운영체제에게 CPU의 권한이 넘어가고 data를 I/O 하는 요청을 실행할 수 있다.

인터럽트(Interrupt)

• 인터럽트
  • 인터럽트 당한시점의 레지스터와 program counter를 save한 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
    • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴(=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
    • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

시스템 콜(System Call)

• 시스템 콜
  • 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 하는 것

출처

System Structure & Program Execution 1를 보고 정리