Linux Kernel
: 메모리에 상주(memory-resident)하는 코드
• 대체로 C 언어로 작성되며, 특정 하드웨어에 의존적인 일부는
어셈블리 언어로 작성됨.
• 다른 프로그램이 커널 함수 호출 가능. (system call을 통해 수행)
❯ 커널의 주요 구성 요소
• 프로세스 관리 (Process Management)
: 실행 중인 프로그램(프로세스)을 관리.
프로세스의 생성, 종료, 스케줄링을 담당.
• 파일 시스템 (File System)
: 파일의 저장, 접근, 권한 관리를 수행.
• 입출력 시스템 (I/O System)
: 장치와의 데이터 송수신을 관리.
Process
: 실행 중인 프로그램
❯ 프로세스의 context (문맥 : 상황을 설명하는 사실들)
• Hardware Context
: CPU 실행 상태를 저장.
ex. 레지스터(Register), 프로그램 카운터(PC).
• User Address Space
: 프로세스의 독립적인 메모리 주소 공간.
ex. 코드(Code), 데이터(Data), 스택(Stack) 등.
• Kernel Space
: 운영체제 커널이 관리하는 메모리 공간.
PCB (Process Control Block):
프로세스의 상태, 우선순위, 메모리 정보 등을 저장.
Kernel Stack :
커널 모드에서의 함수 호출 정보 저장.
Process의 address space
• Stack (스택)
: 함수 호출 시 매개변수, 반환 주소, 로컬 변수 등을 저장하는 영역.
LIFO (Last In, First Out) 구조로 동작.
함수 호출이 끝나면 메모리가 자동으로 해제됨.
예제) 함수 F1, F2 호출 시 로컬 변수, 반환 주소가 저장됨.• Dynamic Data (Heap)
: 런타임 시 동적으로 메모리를 할당받는 공간.
malloc() 또는 new와 같은 함수로 할당하며, 프로그래머가 명시적으로 해제해야 함.
예제) int *a = malloc(sizeof(int)); // 힙에서 동적 메모리를 할당• Static Data (데이터)
: 전역 변수와 정적 변수(Static 변수)가 저장되는 영역.
프로그램이 실행되는 동안 메모리가 유지됨.
예제) static int b // 데이터 영역에 저장됨.• Code (코드)
: 프로그램의 실행 코드(명령어)가 저장되는 영역.
읽기 전용(Executable Code Only)으로 보호됨.
예제) main(), F1, F2 함수의 명령어 // Code 영역에 저장됨.• Reserved Area
: 시스템이 사용하는 예약된 공간으로, 접근이 제한됨.
Program Execution
: 파일 시스템의 실행 파일이 실제 메모리에서 프로세스로 변환되는 과정
• 파일 시스템의 실행 파일 → 메모리의 프로세스 변환
: 실행 파일은 메모리에 로드된 후 프로세스가 되어 실행됨.
• 커널의 역할
: 프로세스 간 자원 관리를 담당하며, 메모리와 CPU를 효율적으로 분배.
• 독립된 주소 공간
: 각 프로세스는 서로 독립된 메모리 공간을 사용하여 실행.
동작 과정
프로세스 실행:
CPU는 프로세스 A 또는 B를 실행합니다.
메모리에서 데이터를 읽고 명령어를 실행.
I/O 요청 및 처리:
프로세스가 I/O 요청을 하면 CPU는 요청을 I/O 컨트롤러에 전달.
컨트롤러가 장치와 상호작용하여 작업을 수행.
I/O 작업 완료:
작업이 완료되면 컨트롤러가 CPU에 완료 신호를 보냄.
대기 중이던 프로세스가 Ready 상태로 전환.
타이머 관리:
타이머가 설정된 시간이 지나면 현재 실행 중인 프로세스를 중지하고, 다음 프로세스를 실행.
• Virtual Memory (가상 메모리)
: 각 프로세스는 독립적인 가상 메모리 주소 공간을 가짐.
가상 주소는 실제 물리 메모리의 주소와 다를 수 있으며, 이를 MMU(Memory Management Unit)가 변환함.
프로세스 A와 B의 가상 주소는 같은 범위를 사용할 수 있지만, 서로 다른 물리 메모리에 매핑되기 때문에 충돌하지 않음.
• Physical Memory
: 실제 메모리(RAM)로, 커널과 모든 사용자 프로세스가 공유.
User 영역: 사용자 프로그램(프로세스 A와 B)의 코드, 데이터, 스택이 로드됨.
Kernel 영역: 운영체제 커널의 코드와 데이터를 저장함.
• Address Translation (주소 변환)
: 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하는 과정.
MMU(Memory Management Unit)와 커널이 함께 이 작업을 수행.
→ 프로세스 간 메모리 충돌 방지, 물리 메모리를 효율적으로 활용.
• Swap Area
: 물리 메모리가 부족할 때 디스크의 일부를 확장 메모리로 사용하는 공간.
Kernel Address Space
• Data
: 커널이 프로세스 관리를 위해 사용하는 데이터.
PCB (Process Control Block)
: 각 프로세스에 대한 정보를 저장하는 데이터 구조.
프로세스 ID (PID)
프로세스 상태 (State: 실행 중, 대기 중 등)
CPU 레지스터 정보
메모리 정보 (코드, 데이터, 스택 등 주소 정보)
파일 디스크립터 (열려 있는 파일 정보)
→ 프로세스 A의 PCB와 프로세스 B의 PCB가 각각 독립적으로 관리됨.
• Stack (스택)
: 커널 스택은 커널 내부에서 함수 호출 (function call) 시 생성되는 메모리 공간.
함수 호출과 반환 주소, 로컬 변수 저장.
→ 프로세스 A와 프로세스 B는 각각 독립적인 커널 스택을 가짐.
• CPU, MEM, DISK (하드웨어)
CPU
: 프로세스 실행을 위한 연산 작업 수행.
PCB와 커널 스택을 참조하며 작업을 실행.
MEM (메모리):
코드, 데이터, 스택이 로드되는 물리 메모리.
DISK (디스크):
실행 파일, 데이터 파일 등이 저장된 파일 시스템.
프로세스 관리 과정
• 프로세스 생성
- 실행 파일이 디스크에서 메모리로 로드됨.
- 커널은 새로운 PCB를 생성하여 프로세스 정보를 기록.
- 프로세스마다 고유한 커널 스택이 생성.
• Context Switching
: CPU가 하나의 프로세스에서 다른 프로세스로 작업을 전환하는 과정.
- 현재 실행 중인 프로세스의 CPU 레지스터 상태를 PCB에 저장.
- 다음 실행할 프로세스의 PCB를 참조하여 레지스터 상태를 복원.
- 해당 프로세스의 커널 스택을 활성화.
• 시스템 콜 처리
: 사용자 프로세스가 커널에 자원 요청 시 발생.
- 사용자 모드에서 시스템 콜이 호출되면 커널 모드로 전환.
- 커널 스택을 사용하여 요청 처리.
- 작업 완료 후 다시 사용자 모드로 복귀.
Kernel Stack
: 프로세스가 커널 코드를 호출할 때 사용하는 스택
여러 프로세스가 함께 사용하는 공유 코드로 이루어져 있지만, 각 프로세스마다 독립적인 커널 스택을 사용.
User Stack (사용자 스택)
: 프로세스가 사용자 모드에서 실행될 때 사용하는 스택.
일반 사용자 프로세스는 하나의 사용자 스택만 사용.
Process States (프로세스 상태)
• Running
: 프로세스가 CPU를 점유하고 명령어(Instruction)를 실행 중인 상태.
• Ready
: 프로세스가 실행 준비를 완료한 상태로, CPU 할당을 기다리는 상태.
실행이 가능한 상태지만, CPU를 점유하지 않음.
CPU가 사용 가능해지면 Running 상태로 전환.
• Blocked (Wait, Sleep)
: 프로세스가 특정 작업(I/O 작업 등)의 완료를 기다리는 상태.
ex. 디스크에서 파일을 읽어오는 작업, 네트워크에서 데이터 수신을 대기.
작업이 완료되면 Ready 상태로 전환.
• Suspended (Stopped)
: 외부적인 이유(사용자 명령, 시스템 관리 등)로 프로세스가 중단된 상태.
메모리에서 디스크의 Swap 영역으로 데이터를 옮길 수 있음.
ex. 사용자가 Ctrl+Z를 눌러 Foreground 프로세스를 중지.
State Transitions
Ready → Running
: CPU가 프로세스에 할당될 때.
Running → Ready
: CPU 할당이 종료되거나, 다른 프로세스가 우선순위로 인해 스케줄링될 때.
Running → Blocked
: 프로세스가 I/O 작업 등의 외부 작업을 기다릴 때.
Blocked → Ready
: 대기 중이던 작업(I/O 등)이 완료될 때.
Running → Suspended
: 사용자 요청 또는 시스템 관리로 인해 프로세스가 중단될 때.
Suspended → Ready
: 중단 상태에서 다시 활성화될 때.
Process 의 실행
프로세스 실행 모델
• CPU
: 프로세스 A와 B를 번갈아 실행.
명령어 실행과 I/O 요청 처리.
• Memory
: 여러 프로세스(A, B)와 커널 공간으로 구성.
각 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가짐.
• I/O Device
: 디스크, 키보드, 프린터, 모니터 등이 포함됨.
• Controller
: 각 I/O 장치에 연결된 하드웨어 제어 장치.
CPU와 I/O 장치 간 데이터를 중계.
• Timer (타이머)
: CPU 스케줄링을 위한 시간 제어 장치.
특정 프로세스가 CPU를 독점하지 않도록 제어.
동작 과정
- 프로세스 실행:
CPU가 프로세스 A 또는 B를 실행.
메모리에서 데이터를 읽고 명령어를 실행. - I/O 요청 및 처리:
프로세스가 I/O 요청을 하면 CPU는 요청을 I/O 컨트롤러에 전달.
컨트롤러가 I/O 장치와 상호작용하여 작업을 수행. - I/O 작업 완료:
작업이 완료되면 컨트롤러가 CPU에 완료 신호를 보냄.
대기 중이던 프로세스가 Ready 상태로 전환. - 타이머 관리:
타이머가 설정된 시간이 지나면 현재 실행 중인 프로세스를 중지하고, 다음 프로세스를 실행.
프로세스 상태와 I/O queue
• Ready Queue
: CPU가 사용 가능해질 때 실행 준비가 완료된 프로세스가 대기하는 공간.
• Blocked (I/O Queue)
: I/O 작업을 대기하는 상태.
I/O 작업 완료 시 Ready Queue로 다시 이동.
ex.
Disk I/O Queue: 디스크 작업 대기 중인 프로세스(A).
Keyboard I/O Queue: 키보드 작업 대기 중인 프로세스(B).
동작 과정
-
Ready Queue → Running (파란 화살표)
CPU가 사용 가능해지면 Ready Queue에서 첫번째 프로세스 A가 CPU를 할당받아 Running 상태로 전환. -
Running → Disk I/O Queue (파란 화살표)
프로세스 A가 실행 중 디스크 작업을 요청.
Disk I/O Queue로 이동하여 작업 완료를 대기. -
Disk I/O Queue → Ready Queue (파란 화살표)
디스크(I/O) 작업이 완료되면 프로세스 A는 Ready Queue로 복귀. -
Running → Keyboard I/O Queue (주황 화살표)
프로세스 B가 실행 중 키보드 작업을 요청하며 Keyboard I/O Queue로 이동. -
Keyboard I/O Queue → Ready Queue (주황 화살표)
키보드 작업이 완료되면 프로세스 B는 Ready Queue로 복귀.
System Call을 통해 Kernel Mode로 전환
: 프로세스가 I/O 요청(read, write, etc.)과 같은 시스템 호출(System Call)을 할 경우
• Kernel Address Space
Code: 커널 코드가 저장된 영역으로, 시스템 호출 처리.
Data: 커널에서 관리하는 데이터 저장소. I/O 작업 요청 저장.
Stack: 함수 호출 및 실행 상태를 저장하는 공간.
System Call (read()) 과정
-
Ready Queue → Running
CPU가 Ready Queue에서 A 프로세스를 선택하고 실행. -
Running → Kernel Mode (System Call)
프로세스 A가 read() 시스템 호출을 요청.
사용자 모드에서 실행 중인 프로세스가 시스템 호출 인터페이스를 통해 커널 모드로 전환됨.
이때 프로세스는 CPU 제어권을 커널에 넘김. -
Kernel 작업 수행
커널은 Kernel Address Space의 Code와 Data를 사용하여 요청된 작업을 처리.
프로세스가 I/O 작업 요청을 한다면, I/O가 해당 작업을 완료할 때까지 해당 프로세스는 I/O Queue에 들어가 대기. -
I/O 작업 완료 → Ready Queue 복귀
I/O 작업이 완료되면, 해당 프로세스는 다시 Ready Queue로 이동하여 CPU를 대기.
Ready Queue로 돌아오는 순간, 프로세스는 사용자 모드(User Mode)로 전환될 준비를 함.
System Call
• I/O 작업은 커널을 통해서만 가능.
: 사용자 프로세스(P1)는 직접 I/O 장치를 다룰 수 없으므로,
반드시 커널에 요청해야 함.
• System Call은 사용자 모드와 커널 모드 간의 다리 역할을 함.
• 사용자 프로세스가 직접 하드웨어에 접근하지 못하도록 제한하여, 시스템 안정성과 보안을 유지.
System call vs. Library
I/O를 위해 라이브러리 함수를 사용하지만, 라이브러리 함수는 직접 I/O 작업을 수행하지 못함.
→ 모든 I/O 작업은 결국 System Call (read(), write())을 호출하여 처리됨.
작업 흐름 : main() 함수에서 input() 호출 → scanf() 호출 → read()
scanf()는 사용자 주소 공간(Library 함수)에 위치하며 데이터를 포맷팅, 버퍼를 관리.
read()는 커널 모드로 전환되어 실제 데이터를 디스크/입출력 장치에서 읽어옴.
Functions in Program
• User-defined Function (사용자 정의 함수)
: 프로세스의 Address Space 안에 존재, code 영역에 저장됨.
• Library Function (라이브러리 함수)
: 사용자 프로그램에서 직접 정의하지 않고 외부에서 제공받아 사용하는 함수.
실행 파일에 포함되어 있음.
ex. printf(), scanf(), strcpy().사용자 프로그램의 Address Space 안에 존재, code 영역에 저장됨.
공유 라이브러리 형태로 프로그램에서 호출됨.
• Kernel Function (커널 함수)
: 운영체제 커널에서 제공하는 함수로, 시스템 호출(System Call)을 통해 접근할 수 있음.
ex. read(), write(), fork(), exec().Kernel Address Space 안에 존재, code 영역에 저장됨.
