1. 배경

📖 개요

전공 수업 내용 정리를 위함

📰 운영체제

컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어 자원을 관리하고, 사용자와 컴퓨터 사이의 인터페이스 역할을 하는 시스템 소프트웨어.

💻 컴퓨터 구조

운영체제는 하드웨어를 다루기에 어느정도 지식이 필요하다.

컴퓨터의 핵심 부품은 4가지이다.
1. 프로세서
2. 주기억장치
3. I/O장치
4. 보조기억 장치

프로세서
- 컴퓨터의 두뇌 역할 모든 명령어 해석과 처리 담당
- 메인 메모리와 레지스터만 접근가능
- 한개만 존재한다면 CPU

메인 메모리
- 데이터와 프로그램 저장
- 휘발성이기에 컴퓨터 종료시 메모리의 내용 사라짐

입출력 모듈
- 컴퓨터와 외부 환경간의 데이터 이동 담당
- 보조기억 장치, 통신장치, 통신장비 등을 포함한 다양한 외부장치로 구성

시스템버스
- CPU, 메인 메모리, 입출력 모듈간의 통신제공

프로세서

프로세서만 좀더 자세히 살펴보자

AC(Accumulator, 누산기)
- 데이터를 일시저장하는 레지스터

PC(Program counter)
- 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장하는 레지스터

IR(Instruction Register)
- 현재 실행중인 명령어를 기억하는 레지스터

MAR(memory address register)
- 프로세서가 메모리에 접근할때 해당 메모리의 위치를 지정하는데 사용되는 레지스터

MBR(memory address register)
- 프로세서와 메인 메모리 사이의 버퍼 역할을 한다.
- 메모리로 부터 데이터를 읽거나 쓸때 통로역할을 하는 레지스터

⌛ 명령어 수행

프로그램은 프로세서에 의해 수행된다. 
메모리에 저장된 명령어 집합이다.

수행 과정은 간단하게 2단계로 나뉜다.

1. fetch
2. execute

🔁 명령어 사이클

명령어 사이클이 시작될때 프로세서는 메모리에서 명령어를 가져온다.
프로세서의 작업은 보통 4가지 범주로 구분이 가능하다.

1. 프로세서 - 메모리
- 데이터가 프로세서와 메모리 사이에서 전송된다.

2. 프로세서 - 입출력 모듈
- 프로세서와 입출려 모듈 간의 전송을 통해 주변장치와 데이터 송수신 가능

3. 데이터 처리
- 프로세서가 데이터에 대해 산술, 논리 연산 수행

4. 제어
- 명령어는 수행 순서 변경 명시 가능
- 예를 들어 150번지 명령어 수행하는데
  151이 아닌 180으로 가라하면 180에 있는 명령어 부터 수행

처리 순서

fetch
1. PC에 적힌 주소를 MAR로 옮긴다.
2. MAR에 적힌 주소에서 명령어를 MBR로 가져온다.
3. MBR에 있는 명령어를 IR로 옮겨저장 한다.
4. PC는 다음에 진행할 명령어로 증가되어있다.


execute
1. IR 뒷자리가 주고 앞 숫자가 명령어다
2. 940번지를 MAR에 저장한다.
3. MAR에 적힌 곳으로 들어가 데이터를 MBR에 저장
4. MBR에 적힌 데이터를 AC에 넣기

* 만약 연산(+,-,*,%)가 필요하면 MBR과 AC에 연산후 AC에 다시넣기

🔪 인터럽트

📝 정의

프로세서가 수행중인 작업은 방해를 받아 잠시 중단 될수 있다.
이때 프로세서를 방해하는 신호를 인터럽트(interrupt)라고 한다.

📝 종류

1. 프로그램 인터럽트 : 명령어 수행의 결과로 발생하는 어떤 조건에 의해서 생성됨. 동기 인터럽트
2. 타이머 인터럽트 : 프로세서 내의 타이머에 의해 생성. 비동기 인터럽트
3. I/O 인터럽트 : 입출력 연산의 정상적인 종료 또는 에러를 알림. 비동기 인터럽트
4. 하드웨어 펠류어 인터럽트 : 전원 결함 등의 하드웨어 결함에 의해 발생. 비동기 인터럽트

이중에서 우리는 I/O 인터럽트에 집중한다.

📇 I/O 인터럽트

I/O 인터럽트가 필요한 이유?

- I/O 작업의 처리속도는 보통 프로세서의 처리속도에 비해 훨씬 느리다.
  따라서 명령어 사이클 기법을 통해 I/O 작업을 처리한다면 
  I/O 작업 처리동안 프로세서는 주기적으로 I/O 작업이 끝났는지 확인해야 하고
  이는 프로세서의 낭비로 이어진다.
  
  

I/O 인터럽트

- I/O 인터럽트는 I/O 작업을 시작한뒤 프로세서가 I/O 작업을 확인하지않고
  완료시에 인터럽트 신호를 보내면 그때 확인하는 것이다.
  예를 들어 프린트 출력 작업을 시켜놓고 완료 인터럽트를 받기 전까지
  다른 작업을 하다가 완료 인터럽트가 오면 그때 확인하는 식이다.

📝 인터럽트 실행 과정

인터럽트 처리과정은 다음과 같다.

1. I/O 모듈이 프로세서에 인터럽트 요청신호를 보낸다.

2. 프로세서는 execute stage가 끝난이후 fetch stage 전 
   "항상" 인터럽트 여부를 확인한다.
   
3. 인터럽트 요청이 들어온 것을 확인하면 
   인터럽트 플래그를 확인하여 현재 인터럽트가 가능한지 확인한다.
   
4. 인터럽트가 가능하면 현재까지 작업을 백업한다.

5. 인터럽트 백터 참조후 인터럽트 핸들러(인터럽트 서비스 루틴) 실행한다.

6. 핸들러 실행이 끝나면 이전 작업 복구후 실행을 재개한다.

📝 더 자세히

위 그림은 인터럽트가 추가된 Instruction 사이클이다.

그림에서는 자세히 나와있지 않지만
execute 단계가 끝나면 항상 인터럽트 요청을 확인해야한다.
만약 인터럽트를 받을수 없다면 다시 fetch 단계로
인터럽트를 받을수 있다면 인터럽트 핸들러를 실행한다.

*** 중요
이때 인터럽트 stage에서는 인터럽트 핸들러를 실행하지 못한다.
인터럽트 핸들러는 OS가 실행한다.
따라서 인터럽트 stage에서는 OS를 실행시킨다.

📝 인터럽트 처리 과정

인터럽트가 발생하면 프로세서가 현재 명령어를 완료하고 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
프로세서는 또한 PSW와 PC를 제어스택에 저장하고 
새로운 PC값을 적재한다. (핸들러 실행)

그 이후로는 나머지 상태정보를 저장하고
인터럽트를 처리한뒤 다시 프로세스의 상태정보와 pc psw 값을 복구한다.

인터럽트 벡터
각 인터럽트마다 인터럽트 핸들러의 주소를 저장하는 테이블이다. 
각 인터럽트 상황에 맞는 벡터가 존재하며 이를 통해 원하는 루틴을 빠르게 실행할수 있다.
하드웨어 인터럽트 요청을 보낼때 인터럽트 요청을 같이 보내며 프로세서는 이를통해 
원하는 인터럽트 핸들러를 빠르게 불러올수있다.

*** 질문
Q) 왜 psw pc 값을 마지막에 복구하는가?
A) PC값이 새로 적재되면 인터럽트 핸들러의 작업이 끝나게 된다. 
   그렇게 되면 저장해 두었던 프로세스 상태정보를 복구할 방법이 없어진다.
   
Q) 왜 처음 저장하는 pc psw와 새로운 pc값 적재는 하드웨어가 담당하는가?
A) 여러가지 이유가 있지만 가장 합리적인 이유는 인터럽트는 예상치 못한 상황에서 발생하며
   빠른 처리와 정확한 값 저장이 필요하다. 이 때문에 프로세서를 통해 자동적이고 빠르게 이전
   값을 저장하고 인터럽트 처리를 위한 프로그램을 불러온다.
   
Q) psw는 뭔가요?
A) program status word의 약자로 프로세서의 현재 상태를 나타내는 레지스터이다. 
   다음과 같은 정보들을 가지고 있다.
   
  1.조건 코드(Condition Codes): 이전 연산의 결과에 대한 정보, 
  2.인터럽트 허용(Interrupt Enable/Disable Flags): 시스템이 인터럽트를 허용할지 여부를 결정하는 플래그. 
  3.메모리 사용정보
  4.커널/사용자 모드 비트 등등