크래프톤 정글 WIL_Week 9 ~10 [PintOS] User Programs

📌 학습 개요

주요 목표:

• 사용자 프로그램 실행과 시스템 호출(System Call) 구현
• User mode와 Kernel mode 전환 이해
• 파일 시스템을 활용한 사용자 프로그램 실행 환경 구현

진행 방식:

• KAIST PintOS의 Project 2 기반 학습
• 필수 테스트 케이스 통과 및 추가 구현 사항 도전

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📚 공부 키워드

1. 운영체제 핵심 개념

User mode vs Kernel mode

• User mode:

  • 사용자 애플리케이션이 실행되는 제한된 권한 모드
  • 직접적인 하드웨어 접근 불가
  • 메모리 보호 기능 제공

• Kernel mode:

  • 운영체제의 핵심 서비스가 실행되는 특권 모드
  • 모든 하드웨어 리소스와 시스템 메모리에 접근 가능
  • 시스템 호출, 프로세스 관리, 메모리 관리 기능 수행

System Call

• 사용자 프로그램이 운영체제 커널 기능을 요청하기 위한 인터페이스
• 주요 시스템 콜 종류:
  • 프로세스 제어: fork(), exec(), exit()
  • 파일 관리: open(), read(), write(), close()
  • 디바이스 관리: ioctl(), read(), write()
  • 통신: pipe(), shmget(), mmap()

Interrupt

• CPU의 정상 실행 흐름을 중단하고 다른 작업을 처리하도록 하는 신호
• 인터럽트 유형:
  • 하드웨어 인터럽트: 외부 장치에서 발생 (예: 키보드 입력, 마우스 클릭)
  • 소프트웨어 인터럽트: 프로그램 실행 중 발생 (예: 시스템 콜, 예외)
  • 내부 인터럽트: CPU 내부에서 발생 (예: 0으로 나누기 오류)

2. 파일 시스템 및 메모리 관리

File Descriptor

• 유닉스 계열 시스템에서 열린 파일이나 I/O 리소스를 참조하는 추상화된 정수값
• 주요 파일 디스크립터:
  • 0: 표준 입력 (stdin)
  • 1: 표준 출력 (stdout)
  • 2: 표준 에러 (stderr)

User Stack

• 사용자 모드에서 함수 호출 정보를 저장하는 스택
• 스택 프레임 구조:
  • 반환 주소
  • 이전 프레임 포인터
  • 지역 변수
  • 함수 매개변수

Segmentation Fault

• 잘못된 메모리 접근으로 인한 예외 발생
• 주요 원인:
  • 널 포인터 참조
  • 배열의 범위를 벗어난 접근
  • 스택 오버플로우
  • 해제된 메모리 접근

3. 저수준 시스템 작동 이해

rax Register

• x86-64 아키텍처에서 함수 반환 값 저장
• 주요 용도:
  • 함수 호출 결과 저장
  • 시스템 콜 번호 및 반환 값 저장
  • 산술 및 논리 연산 결과 저장

32-bit vs 64-bit OS

특징	32-bit OS	64-bit OS
메모리 주소 지정	최대 4GB	이론상 16EB
레지스터 크기	32비트	64비트
성능	상대적으로 낮음	높음
호환성	대부분의 레거시 소프트웨어와 호환	최신 소프트웨어 지원

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📖 읽어야 할 자료

• CS:APP:
  • Chapter 8.2 ~ 8.4: Process, System Call Error Handling, Process Control
  • Chapter 9: Virtual Memory
• OSTEP (운영체제: 아주 쉬운 세 가지 이야기):
  • User Program 관련 섹션
  • 한국어 번역: OSTEP Translations
• KAIST PintOS Assignment:
  • PintOS Assignment 공식 자료

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💻 과제 진행 방법

1. 개발 환경 구성

• AWS EC2 Ubuntu 18.04를 사용해 환경 설정
• 필수 패키지 설치:

  $ sudo apt update
  $ sudo apt install -y gcc make qemu-system-x86 python3

2. GitHub Repository 설정

• PintOS 공식 저장소를 팀 저장소로 복제:

  $ git clone --bare https://github.com/casys-kaist/pintos-kaist.git
  $ cd pintos-kaist.git
  $ git push --mirror https://github.com/${팀ID}/pintos-kaist.git
  $ cd ..
  $ rm -rf pintos-kaist.git
  $ git clone https://github.com/${팀ID}/pintos-kaist.git

3. PintOS 초기 설정

• PintOS 활성화 및 테스트:

  $ cd pintos-kaist
  $ source ./activate
  $ cd userprog
  $ make check

• 정상 실행 시 대부분의 테스트 실패 출력
  • 이후 테스트 케이스를 통과하도록 코드 구현

4. 필수 구현 항목

• userprog 디렉토리에서 다음 테스트를 통과하도록 구현
  • System Call Tests:
    • args-none, args-single, args-multiple, halt, exit 등
  • File System Tests:
    • create-normal, open-normal, write-normal 등
  • Process Control Tests:
    • fork-once, exec-once, wait-simple 등
  • Bad Memory Access Tests:
    • bad-read, bad-write, bad-jump 등

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✅ 이번 주차 주요 목표

• 인자 전달 메커니즘 구현 및 디버깅
• 사용자 프로그램 실행 흐름 분석 및 트러블슈팅
• 커널과 사용자 프로그램 간의 인터페이스 강화

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💡 참고:

• PintOS 프로젝트 관련 강의 및 자료
  • 권영진 교수님 OS 강의 슬라이드
  • PintOS Lab 슬라이드
    • Pintos_1.pdf
    • Pintos_2.pdf
    • Pintos_3.pdf
    • Pintos_4.pdf