Introduction

ISA (Instruction Set Architecture)

✔️ 모든 컴퓨터는 자기 자신만의 언어를 가진다.
✔️ machine 의 state 를 변경할 수 있는 명령어의 집합 그리고 그에 필요한 구조들이다.
✔️ 고수준 언어인 어플리케이션 소프트웨어가 시스템 소프트웨어인 어셈블러와 컴파일러를 거쳐 로우 레벨의 언어로 번역되어 하드웨어와 마주하게 되는 영역, 이러한 인터페이스를 칭한다.

program

✔️ 컴퓨터 디스크에 저장되어있는 실행 가능한 실행파일로(.exe), a sequence of machine instruction 이라 할 수 있다.

process

✔️ A process is an instance of a program in execution : 실행 중인 프로그램의 한 인스턴스
✔️ 프로세스는 상태를 가진다.
✔️ Logical control flow : Each process has an exclusive use of the processor.
✔️ Private address space : Each process has an exclusive use of private memory.

각각의 독립적인 프로세스는 CPU를 혼자서 사용하고 있다고 생각한다. (virtual memory)
멀티태스킹에 의해서 일정 시간을 주고 돌아가면서 (time slice) 가능하다.

process control block

✔️ A data structure in the OS Kernel that contains the information needed to manage a particular process
✔️ 이 중 register state 를 context 라 한다.
✔️ Created and managed by the operating system

kernel

✔️ 컴퓨터의 하드웨어 자원과 추상화 자원을 관리하는 것이 가장 큰 목표이다. 추상화란 물리적으로 하나뿐인 하드웨어를 여러 사용자들이 번갈아 사용할 수 있도록 마치 여러개처럼 보이게 하는 기술이다. 자원으로는 CPU task & process, 메모리 page & segmetn, 디스크 파일, 네트워크 소켓 등이 있다.

context

✔️ The kernel maintains a context for each process
✔️ The context is the state of a process that the kernel needs to restart a preempted process

scheduling

✔️ 실행할 준비가 되어있는 프로세스는 ready 상태로 메모리에 적재되어 있다. 다음에 어떤 프로세스를 CPU에 dispatch 할까?
✔️ ready queue, 우선순위를 따져서 dispatch 한다.
✔️ 그 우선순위를 공평하게 하도록 하는 과정
✔️ kernel 에서 scheduling 을 담당하는 것을 dispatcher 라 한다.

timer

✔️ 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킨다
✔️ 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
✔️ 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
✔️ CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호

• 타이머는 time sharing 을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

mode bit

✔️ 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
✔️ Mode bit 를 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 을 지원한다

• 1 사용자모드 : 사용자 프로그램 수행
• 0 모니터모드 : OS 코드 수행
  • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드(커널모드, 시스템모드) 에서만 수행 가능한 특권명령으로 규정
  • Interrupt 나 Exception 발생시 👉 하드웨어가 mode bit 을 0 으로 세팅
  • 사용자 프로그램에게 CPU 를 넘기기 전에 👉 mode bit 을 1 로 세팅

DMA (Direct Memory Access)

✔️ 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
✔️ CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage 의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
✔️ 바이트 단위가 아닌 block 단위로 인터럽트를 발생

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Process

Creation

✔️ Parent Process 가 Children Process 복제 생성

✔️ 프로세스의 트리 (계층 구조) 형성

✔️ 프로세스는 자원을 필요로 함

• 운영체제로부터 받는다 👉 System Call fork()
• 부모와 공유한다 (이례적임, 부통 경쟁한다)

int main()
{
	int pid;
    pid = fork();
    if (pid == 0) 
    	printf ("I am child\n");
    else if (pid > 0) 
    	printf ("I am parent\n");
}

✔️ 자원의 공유

• 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
• 일부를 공유하는 모델
• 전혀 공유하지 않는 모델

✔️ 수행 (Execution)

• 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델
• 자식이 종료 (terminate) 될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델

✔️ 주소 공간

• 자식은 부모의 공간을 그대로 복사한다 (binary and OS data)
• 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림

Termination

✔️ 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌 exit()

• 자식이 부모에게 output data를 보냄
• 프로세스의 각종 자원들이 OS에 반납됨

✔️ 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 abort

• 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
• 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
• 부모가 먼저 종료?
  • 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다
  • 단계적 종료

PCB

✔️ 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보로,
✔️ 구조체로 유지된다

1) OS가 관리상 사용하는 정보

• Process state, Process ID
• Scheduling Information, Priority

2) CPU 수행 관련 하드웨어 값

• Program Counter, Registers

3) Memory 관련

• Code, Data, Stack 의 위치 정보

4) File 관련

• Open File Desciptors...

process control block also called a task control block

구성

identification

• process id
• OS의 root process 를 제외하면 parent process의 id를 가진다. (tree 구조처럼)
• User id

processor state information

• user visible register
• control and state register
  - program counter, condition codes, status information
• stack pointers

IPC; Inter-Process Comumunication

• signal : process 간 소통하는 메커니즘
• terminate (to kill), communicate (to send message) block 할 수 있고 여러 flag를 관리한다

(... 교재 참고)
Program counter.
The counter indicates the address of the next instruction to be executed for this process.

CPU registers.
The registers vary in number and type, depending on the computer architecture. They include accumulators, index registers, stack pointers, and general-purpose registers, plus any condition-code informa- tion. Along with the program counter, this state information must be saved when an interrupt occurs, to allow the process to be continued correctly afterward when it is rescheduled to run.

CPU-scheduling information.
This information includes a process prior- ity, pointers to scheduling queues, and any other scheduling parameters. (Chapter 5 describes process scheduling.)

Memory-management information.
This information may include such items as the value of the base and limit registers and the page tables, or the segment tables, depending on the memory system used by the operating system (Chapter 9).

Accounting information.
This information includes the amount of CPU and real time used, time limits, account numbers, job or process numbers, and so on.

I/O status information.
This information includes the list of I/O devices allocated to the process, a list of open files, and so on.

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PSW

program status word
현재 실행 중인 프로세스의 스테이트 정보를 관리한다.

✔️ contatins condition codes and other status information of the currently running process
✔️ ex) EEFLAGS register on Intel x86 processors

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Process control

Process spawing

• OS may create a process at the explicit request of another process

Process termination

• A process may terminate itself by calling a system call called EXIT
• A process may terminate due to an erroneous condition such as memory unavailable, arithmetic error (overflow), or parent process termination, etc.

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System Call

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

• Unix provides a number of system calls for manipulating processes
• Obtain process ID, Create/Terminate Process, etc.

fork

system call fork 에 대해 살펴보자

int fork (void)
✔️ Creates a new process (child process) that is identical to the calling process (parent process)
✔️ Returns 0 to the child process
✔️ Returns child's pid to the parent process
✔️ It is called once but returns twice. 처음 출발은 같으나, 각각의 독립적인 VM을 가지고 각자 실행된다.
✔️ 누가 먼저 실행될지는 undefined! 스케줄링에 따라 때마다 다를 수 있다.
✔️ Shared files : oth parent and child print their output on the same screen

exit

void exit(int status)
✔️ Terminate a process with an exit status : Normally with status 0
✔️ atexit() registers functions to be executed upon exit

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Five-State Process Model

프로세스는 State가 변경되며 수행된다
✔️ Running

• CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태

✔️ Ready

• CPU를 기다리는 상태 (메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)

✔️ Blocked(wait, sleep)

• CPU를 주어도 당장 instruction 을 수행할 수 없는 상태
• Process 자신이 요청한 event 가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
• 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우

✔️ New

• 프로세스가 생성중인 상태

✔️ Terminated

• execution 이 끝난 상태

(unix 에서는 terminated 상태를 zombie 상태라고 한다)

using mutiple blocked queues

event 마다 queue 가 존재한다.

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Suspended Processes

✔️ 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
✔️ 프로세스는 통째로 디스크에 Swap out 된다

• ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 또는 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴

❗️ Blocked vs. Suspended

• Blocked : 자신이 요청한 event 가 만족되면 Ready
• Suspended(stopped) : 외부에서 resume 해주어야 Active

메모리로부터 쫓겨나서 실행할 준비가 되어있지 않는 프로세스들이다. page-fault (page-miss) 가 생길 수 있다.

Swapping

• Sometimes, all the processes in memory are waiting for I/O
• Involves moving part or all of a process from main memory to disk
• Then, OS brings in another (new or suspended) process into memory

Suspended Process

• The process is swapped out and is not immediately available for execution
• The process was placed in a suspended state by an agent: either itself, a parent process, or the OS, for the purpose of preventing its execution
• The process may or may not be waiting on an event

suspend state 🎯

이를 고려하면 State 가 바뀐다. 아래 그림이 가장 일반적인 state model 이다.

이미지 출처

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Interrupt/Exception

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter 를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

✔️ Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트 (디스크 컨트롤러, 타이머 등)

✔️ Trap (소프트웨어 인터럽트) :

• Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
• System Call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

✔️ 관련 용어

• 인터럽트 벡터
  • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가짐
• 인터럽트 처리 루틴 (Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
  • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

Kernel 로 들어가는 방법이다. 실행 중이던 프로세스는 register state 가 pcb 에 저장되고 suspended (swap 이 아니 pause 의 이미) 된다.

Exception, Interrupt 는 메카니즘은 비슷하나 발생 원인이 다르다.

Interrupts

• Exception : 현재 실행 중인 프로세스에서 특정 명령어에 의해 발생한 예외 상황인데, CPU가 더 이상 핸들할 수 없는 상황
  • Generated by an instruction in the currently running process due to an erroneous condition.
  • Synchronous, internal
  • ex) page faults (page miss)
• Interrupt : 현재 실행 중인 프로세스의 문제가 아닌 경우 즉, CPU 내부와 상관이 없는 경우
  • Asynchronous, external events
  • ex) 우리가 리부트하는 경우, 디스크가 CPU에게 보내는 메세지, 갑자기 노트북이 꺼지는 경우, 로봇이 길을 걷다가 돌을 맞는 경우 등

CPU 는 Clock Cycle (0.3 nano seconds) 마다 외부 Interrupt 발생 여부를 확인하고 있다면 처리하고 다시 돌아온다.

CPU 칩 내부 pin 중 하나가 interrupt pin 에게 신호가 전송된다. pin 이 assault 되었다면 system bus io device 가 어떤 이벤트인지 알려준다.

모든 이벤트마다 (id 가 있다) Interrupt Handler (이벤트 핸들러) 가 시스템에 정의되어 있다. 이 핸들러 코드는 OS 코드가 아닌 firmware 이다! 그들이 System call 을 통해 필요한 OS 를 연결시켜준다.

Interrupt handling mechanism
Should allow interrupts/exceptions to be handled transparently to the executing process

• When an interrupt is received or an exception condition is detected, the current task is suspended(paused) and the control automatically transfers to a handler.
• After the handler is complete, the interrupted task resumes without loss of continuity, unless recovery is not possible or the interrupt causes the currently running task to be terminated.

(Synchronous) Exceptions

Caused by an event that occurs as a result of executing an instruction.

✔️ Traps
: 명령을 완료한 후 의도적으로 핸들러가 실행되고 다음 명령어를 실행하도록 한다.

• Intentional exceptions
• ex) system calls, breakpoints (debug)
• Returns control to next instruction

✔️ Faults
: 명령어 실행을 완료하지 못한 상황. 중지 후 fault 를 발생시킨 명령어부터 나중에 다시 실행하도록 한다.

• Unintentional but possibly recoverable
• ex) page faults (recoverable), protection faults (unrecoverable)
• Either re-executes faulting ("current") instruction or terminate the process

✔️ Aborts
: 심각한 하드웨어적 에러이다.

• Unintentional and Unrecoverable fatal errors
• ex) parity error, machine check abort
• Aborts the current process, and probably the entire system

(Asynchronous) Interrupts

Caused by an event external to the processor

• Handler returns to "next" instruction.
• ex) I/O interrupts

I/O

두 가지 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다

Synchronous I/O

I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감

Asychronous I/O

I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

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🔗 Reference

[KUOCW] 반효경 교수님, 최린 교수님의 운영체제 강의를 수강하고 정리한 내용입니다. 잘못된 내용이 있다면 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다 😊