[Chapter 2] System Structure & Program Execution

slchoi·2022년 1월 17일

운영체제 이화여대 반효경 교수님

운영체제

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KOCW에 공개된 이화여대 반효경 교수님 운영체제 강의를 수강 후 정리한 내용입니다.

하드웨어의 동작에 관련된 내용을 다룸

1. 컴퓨터 시스템 구조

memory: CPU 작업 공간
- CPU는 매순간 memory에서 instruction을 읽어와 실행
CPU
- mode bit: 실행되고 있는 프로그램이 운영체제인지 사용자 프로그램인지를 구분
  - 0: 커널 모드(OS 코드 수행), 1: 사용자 모드(사용자 프로그램 수행)
  - 0인 경우, 메모리, IO 장치 접근 등 모든 일을 수행할 수 있도록 정의 됨. IO 장치에 접근하는 모든 작업은 mode bit이 0일 때만 실행될 수 있도록 함
  - 1인 경우, 제한된 instruction만 실행 가능 (보안상의 문제)
- interrupt line: CPU와 IO 장치와 통신해야할 때 사용
  - 하드웨어 인터럽트(Interrupt): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
  - 소프트웨어 인터럽트(Trap): Exception(프로그램이 오류를 범한 경우), System call( 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우)
  - 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  - 인터럽트 처리 루틴 (Interrupt Service Routine): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
- CPU의 레지스터 중에서 메모리 주소를 가리키고 있는 PC의 값에 해당하는 주소를 메모리에서 읽어와 명령어를 실행 (일반적으로 PC의 값은 4씩 증가)
- 하나의 명령어 실행이 끝날 때마다 interrupt line 체크. 인터럽트가 들어오면 하던 작업을 멈추게 되고 CPU의 제어권이 운영체제에게 넘어감. 운영체제는 인터럽트 벡터를 확인해 인터럽트 처리 루틴을 실행
- CPU의 전체적인 통제를 OS가 수행
timer
- 무한루프를 도는 프로그램이 CPU에게 할당되면 CPU는 다른 작업을 수행할 수 없게됨
- 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막는 역할을 수행
- timer에 일정한 값을 정해준 후에 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨줌
- 일정 시간이 지나면 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
IO device
- device controller가 IO device마다 존재해 IO device를 제어
- local buffer: IO 장치의 작업 공간. 실제 데이터 저장
- device driver: OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 (소프트웨어)
- device controller: 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU (하드웨어)
DMA(Direct Memory Access) controller
- IO 장치가 너무 자주 인터럽트를 걸어서 CPU가 방해를 받기 때문에 이것을 방지하기 위해 존재
- 직접 메모리에 접근할 수 있는 controller
- 메모리에는 CPU와 DMA가 접근 가능
- CPU와 DMA가 메모리에 동시에 접근할 때 memory controller가 접근 순서를 조율해주는 역할을 함
- CPU는 계속해서 하던 일을 진행하고 IO 장치의 local buffer에 정보가 읽거나 쓰여지면 DMA가 메모리에 정보를 저장해주는 역할을 수행한 후 CPU에게 인터럽트를 걸어줌
  - CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
  - 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

사용자 프로그램은 어떻게 IO를 수행?

시스템콜(system call): 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

사용자 프로그램이 interrupt line을 setting하면 CPU 제어권이 운영체제에게 넘어감

trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동

제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동

올바른 IO 요청인지 확인 후 IO 수행

IO 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김

IO를 요청할 때는 소프트웨어 인터럽트를 사용하고 IO 수행이 끝나면 하드웨어 인터럽트 사용

2. 동기식 입출력과 비동기식 입출력

두 경우 모두 IO가 완료되었다는 것을 인터럽트를 통해 알려줌

1. 동기식 입출력(synchronous I/O)

IO 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
IO 장치까지 가서 내용을 확인한 후 읽어와서 확인한 후 작업
- ex) IO 장치에게 무언가를 쓰라고 했을 때, 명령을 내린 후 다른 작업을 수행하는 것이 아니라 IO 장치에 가서 내용이 쓰였는지 확인한 후 다른 작업을 수행

구현 방법 1

IO가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
매시점 하나의 IO만 일어날 수 있기 때문에 IO 장치도 낭비됨

구현 방법 2

IO가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
IO 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
다른 프로그램에게 CPU를 줌

2. 비동기식 입출력(asynchronous I/O)

IO가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

동기식 입출력과 비동기식 입출력의 차이점

프로세스가 입출력이 완료될 때까지 아무 일도하지 않고 기다리게 되면 동기식 입출력, 사용자 프로세스가 입출력 요청을 한 뒤 입출력이 진행되는 동안 그 프로세스가 바로 CPU를 잡아 다른 instruction을 실행하는 경우는 비동기식 입출력

프로세스가 CPU를 가지고 있든 가지고 있지 않든 상관없이 프로세스가 입출력을 실행을 기다리면 동기식, 기다리지 않으면 비동기식 입출력

3. 서로 다른 입출력 명령어

왼쪽 그림: 메모리에 접근하는 instruction과 IO 장치에 접근하는 instruction이 따로 존재
오른쪽 그림: 메모리에 접근하는 instruction을 통해 IO 장치에 접근 =< memory-mapped IO

4. 저장장치 계층 구조

위로 갈수록 속도가 빠르고, 가격이 비싸지고, 용량이 적어짐
CPU가 직접 접근 가능한 것을 Primary(Executable, byte 단위로 접근 가능하다는 것을 의미), 직접 접근하지 못하는 것을 Secondary라고 부름
main memory(DRAM), cache memory(SRAM), 레지스터는 휘발성
secondary는 비휘발성

5. 프로그램 실행

1. 메모리 load

virtual memory: 각 프로그램마다 독자적으로 가지고 있는 메모리 주소
프로세스에서 당장 필요한 부분은 physical memory에 올려두고 당장 필요하지 않은 부분은 disk의 swap area 부분에 올려놓음
- swap area는 메모리 용량의 한계로 하드 디스크를 메모리 연장 공간으로 사용하는 부분을 의미

2. 커널 주소 공간의 내용

data: 운영체제가 사용하는 여러 자료구조들이 들어있는 공간
- 하드웨어를 관리하고 처리하는데 각각의 하드웨어마다 자료구조를 하나씩 만들어서 관리
- 운영체제는 프로세스도 관리. 프로세스를 관리하기 위한 자료구조가 PCB(Process Control Block)
stack: 함수를 호출하거나 리턴할 때 사용하는 공간
- 사용자 프로세스마다 커널의 스택을 따로 두고 있음

사용자 프로그램이 사용하는 함수

사용자 정의 함수

자신의 프로그램에서 정의한 함수

라이브러리 함수

자신의 프로그램에서 정의하지 않고 가져다 쓴 함수

자신의 프로그램 실행 파일에 포함되어 있음

커널 함수

운영체제 프로그램의 함수

커널 함수의 호출 = 시스템 콜