1️⃣ 인터럽트
CPU가 특정 기능을 수행하는 도중에 급하게 다른 일을 처리하고자 할 때 사용
(CPU는 한 순간에는 하나의 일 밖에 처리할 수 없기 때문에 어떤 일을 처리하는 도중에 우선순위가 급한 일을 처리할 필요가 생김)
과정
- 명령어 사이클은 인출과 실행, 두 가지 단계를 반복해서 수행하며, 실행 단계를 마칠 때마다 CPU는 반복적으로 인터럽트 요청이 있는지 계속해서 확인함
- 인터럽트가 발생하면, 현재 컴퓨터는 처리하던 일을 중지하고 현재의 컴퓨터 상태(CPU 내부의 레지스터, 메인 메모리 내용 등)을 저장함
- 해당하는 인터럽트를 처리해주기 위한 인터럽트 서비스 루틴(인터럽트 핸들러)을 처리함
❓ 인터럽트 서비스 루틴이란?
인터럽트 핸들러라고도 하며, 실제 인터럽트를 처리하기 위한 루틴이다
운영체제의 코드 영역에는 인터럽트별로 처리해야할 내용이 이미 프로그램 되어 있다
- 인터럽트 벡터: 인터럽트 발생 시 처리해야 할 인터럽트 핸들러의 주소를 인터럽트 별로 보관하고 있는 테이블
- 인터럽트 처리 이후 저장되었던 이전 작업의 상태를 복구하고 이전 작업 수행을 재개함
+) 여러 개의 인터럽트가 동시에 발생할 경우, 인터럽트 우선순위에 따라 인터럽트를 처리함
(전원 공급의 이상 > CPU의 기계적인 오류 > 외부 신호에 의한 인터럽트 > 입출력 전송 요청/완료/오류 > 프로그램 검사 > 수퍼바이저 호출)
종류
- 외부 인터럽트 - 입출력 장치, 타이밍 장치, 전원 등의 외부적인 요인에 의해 발생하는 인터럽트
- 전원 이상 인터럽트 - 정전이나 전원에 이상이 있는 경우
- 기계 고장 인터럽트 - CPU 등에 기능적인 동작 오류가 발생한 경우
- 입출력 인터럽트 - 입출력 준비가 완료되었음을 알리기 위해 인터럽트를 요청
- 내부 인터럽트 - 잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때 발생하는 인터럽트
- 0으로 나누는 경우
- 오버플로우, 언더플로우
- 프로그램 상의 오류
2️⃣ 오버헤드
어떤 처리를 하기 위해 들어가는 간접적인 처리 시간 및 메모리
ex) A 작업을 단순하게 실행한다면 10초가 걸리지만, 안전성을 고려하고 부가적인 B 처리를 추가한 결과 처리시간이 15초가 걸렸다면 오버헤드는 5초가 됨
즉, 오버헤드는 반드시 존재하지만 오버헤드를 줄이는 것이 좋은 것!
3️⃣ 오버플로우
컴퓨터의 정수 연산의 계산 결과가 허용 범위를 초과할 때 발생하는 오류
- 양수이든 음수이든 범위를 벗어나면 모두 오버플로우임!
- 산술 언더플로우는 부동소수점 연산에서 지수부가 타입의 한계를 넘어 작아지면 0에 가까워지다가 결국 0이 되어버리는 현상임
ex) 부호 없는 8비트의 데이터를 저장할 수 있는 메모리라면, 1111 1111에서 1을 증가시키면 최댓값의 범위를 넘어서기 때문에 최소값인 0000 0000으로 되돌아가게 됨
- 스택 오버플로우: 메인 메모리 내 스택 영역에서 스택 메모리가 모자라는 순간 생기는 오류
- 버퍼 오버플로우: 버퍼란 데이터가 저장되는 메모리 공간. 프로그램이 실행될 때 버퍼의 크기보다 많은 입력을 받는다면 버퍼 오버플로우가 발생하게 됨 (이 경우 해커가 특정 메모리 값을 임의로 변조할 수 있게 됨)
- 힙 오버플로우: 메인 메모리 내 힙 영역에서 발생하는 버퍼 오버플로우의 한 종류
4️⃣ 시스템 콜
운영체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해, 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스
일반적인 프로그램들은 사용자 모드에서 실행되므로 커널 모드에 대한 직접적인 접근이 불가능하지만, 커널에 접근할 수 없으면 사용자 모드의 프로세스들이 파일을 쓰거나 불러올 수 없고 그래픽 처리와 같은 거의 모든 작업을 할 수 없음
→ 커널에 요청하여 커널 모드에서 처리하고 그 결과를 사용자 모드의 프로그램에게 전달하는 것
유형
- 프로세스 컨트롤 - 프로세스 생성/종료, 메모리에 로드/실행, 프로세스 속성 값 확인/지정, wait/signal, 메모리 할당
- 파일 매니지먼트 - 파일 생성/삭제, 열기/닫기, 읽기/쓰기, 파일 속성 값 확인
- 디바이스 매니지먼트 - 디바이스 요청/해제, 읽기/쓰기, 디바이스 속성 확인
- 정보 관리 - 시간 확인/지정, 시스템 데이터 확인/지정, 프로세스/파일/디바이스 속성 가져오기
- 통신 - 커뮤니케이션 연결 생성/삭제, 메시지 송수신, 상태 정보 전달, remote 디바이스 해제 및 장착
- 보안 - Permission 획득/설정
CPU 모드
CPU는 사용자 애플리케이션이 시스템을 손상시키는 것을 방지하기 위해 2가지 모드를 제공함
CPU에 있는 Mode bit로 모드를 구분하며 0은 커널 모드, 1은 사용자 모드를 나타냄
- 사용자 모드 - 사용자 애플리케이션 코드 실행. 사용자가 접근할 수 있는 영역에 제한이 있기 때문에 해당 모드에서는 하드웨어에 직접적으로 접근할 수 없음 → 접근을 위해서 시스템 콜을 사용해야 함
- 커널 모드 - 운영체제가 CPU를 사용하는 모드. 하드웨어를 제어하는 명령어를 실행함
과정
- 실행 코드
int main(void) {
...
printf("Hello");
// printf는 stdio.h에 있는 라이브러리 함수
// = printf() { write(...) }와 같음 -> write는 시스템 콜 함수임(커널 모드 I/O)
...
}- 컴파일
... <- (1) 매개변수 관련 명령어
movl 5, %eax <- (2) EAX 레지스터에 시스템 콜 정보 저장
int $0x80 <- (3) 인터럽트를 발생시키는 명령어 - 인터럽트가 발생하면 CPU는 커널 모드로 넘어가고 모드 비트도 1로 바뀜
- 인터럽트 핸들러는 어떤 시스템 콜인지를 약속된 레지스터에서 확인하고 시스템 콜 함수를 실행함
- 작업이 다 끝나면 유저모드로 되돌아감
참고자료
https://namu.wiki/w/인터럽트
https://whatisthenext.tistory.com/147
https://velog.io/@adam2/인터럽트
https://ko.wikipedia.org/wiki/오버헤드
https://namu.wiki/w/오버플로
https://she11.tistory.com/123
https://namu.wiki/w/시스템 콜
https://velog.io/@nnnyeong/OS-시스템-콜-System-Call
https://hasensprung.tistory.com/176
https://codybuilder.com/41
