[운영체제] 컴퓨터 시스템 동작 원리(2)

입출력 구조

입출력(I/O)란 컴퓨터 시스템이 컴퓨터 외부의 입출력 장치들과 데이터를 주고받는 것을 말함

입출력 방식은 동기식 입출력, 비동기식 입출력 두가지로 나뉨
각각 자세히 알아 보도록 하자

동기식 입출력

• 어떤 입출력 작업이 완료된 후에야 그 프로그램이 후속 작업을 수행함

• 시나리오

  1. 입출력이 완료되기까지 어느 정도 시간이 소요되는데 이 때 프로그램의 다음 명령을 수행하지 않고 기다린다.
  2. 입출력이 완료 된 후에야 CPU 제어권이 프로그램에 넘어가서 다음 명령을 수행할 수 있음

• CPU의 명령 수행 속도는 빠르나 입출력 장치에서 데이터를 읽어오는 등의 입출력 연산은 상대적으로 느림

• CPU가 아무일도 하지 못하는 자원 낭비가 심한 문제가 있음 (어떻게 해결할 수 있을까?)

  1. A가 할당받은 CPU를 다른 프로그램 B에 이양함
  2. B가 CPU를 할당받아 명령을 수행아고, 프로그램 A의 입출력이 완료될 때까지 A에게 CPU를 다시 할당하지 않는다
     • 할당받더라도 다음 명령을 수행 못하기 때문 이를 위해서 운영체제는 프로그램의 상태를 몇가지로 구분한다.
     • 입출력인 경우 봉쇄상태(blocked state)로 전환시킨다
  3. 봉쇄상태가 아닌 프로그램에게 CPU를 할당한다.

하지만 문제가 또 있다.

입출력이 수행 중일 때는 다른 프로그램에게 CPU를 양도하게 되므로 다수의 입출력이 동시에 요청된다. 이 때 동기성을 보장하기 어려운 문제가 생긴다.

예시를 들자면 아래와 같다.

1. A프로그램에서 디스크 '1'이라는 파일의 내용을 3으로 바꾸는 입출력 연산을 요청했다
2. 이 때 연산을 수행 중이던 A의 CPU를 프로그램 B에게 할당했다고 하자
3. B가 공교롭게도 같은 파일을 1증가시키는 작업을 한다
4. 이 때 값은 1 -> 3 -> 4가 아닌 1 -> 2 -> 3이라는 결과를 얻게 된다.

위처럼 예상치 못한 결과를 얻을 수 있기 때문에 입출력 장치 동기화를 위해 각 장치별로 queue를 두어 요청한 순서를 보장할 수 있게 한다.

비동기식 입출력

• 입출력 연산은 요청한 후에 연산이 끝나기를 기다리는 것이 아닌 입출력 연산을 호출한 후 곧바로 프로그램이 CPU의 제어권을 부여받는 방식
• 입출력 연산이 완료되는 것과 무관하게 처리 가능한 작업부터 처리한다.

---

DMA (Direct Memory Access)

CPU외에 메모리에 접근이 가능한 장치이다. 일종의 컨트롤러로서, CPU가 입출력 장치들의 메모리 접근 요청에 의해 자주 인터럽트 되는 것을 막아주는 역할을 한다.

• 원칙적으로 CPU만 메모리에 접근할 수 있으므로 Memory는 CPU에게 인터럽트를 발생시켜서 CPU가 접근하게 할 수 있다. 이는 CPU 사용의 효율성이 떨어지는 문제점이 있는데, 이를 해결하기 위한 장치.
• 메모리로 읽어오는 작업을 CPU가 담당하는 것이 아닌 DMA가 대행하여서 처리
• byte가 아닌 block 단위를 사용한다.

DMA를 사용하는 기준에는 데이터 전송량이 큰 경우, 속도와 효율성, 멀티테스킹 및 병렬 처리, 입출력 처리가 있다고 한다.

저장장치 계층구조

• 캐싱 기법을 통해 속도가 빠른 저장장치를 사용하여 느린 저장장치의 속도를 완충시킬 수 있다.

하드웨어의 보안

흔히 사용하는 운영체제는 여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있는 다중 프로그래밍 환경에서 동작한다.
이 때 한 프로그램이 다른 프로그램의 실행을 방해하거나 충돌을 일으킬 수 있다.

이 때 하드웨어적인 보안을 유지하기 위해 운영체제는 커널모드 , 유저모드 두 가지 모드를 지원한다.

커널모드

• 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 운영체제 코드를 실행하는 모드, 모든 종류의 명령을 다 실행할 수 있다.
• 시스템에 중요한 영향을 미치는 연산을 할 수 있다. (특권명령)
• modebit 값이 0

유저모드

• 제한된 명령을 수행할 수 있다.
• modebit 값이 1
• 입출력 등 특권명령이 필요할 때는 시스템 콜을 발생시켜서 운영체제가 담당하게 한다.

---

시스템 콜

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 이를 거쳐서 호출하도록 설게되었음

• 시스템 콜의 과정
  1. 유저 프로그램이 I/O 요청 트랩발동됨
  2. 올바른 I/O 요청인지 확인
  3. 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환
  4. 이후 커널함수를 실행