OS - System Structure & Program Execution 1

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🧩 컴퓨터 시스템 구조

하드웨어의 구성과 프로그램들이 하드웨어에서 어떻게 돌아가는지에 대한 설명이 위의 그림이다. 운영체제에 앞서서 컴퓨터 하드웨어적인 부분을 먼저 짚고 넘어가기 위한 부분이다.

위의 그림이 간단히 요약한 컴퓨터의 하드웨어 구조이다. CPU와 메모리 로 구성된 것을 보통 컴퓨터라고 한다. 보통 컴퓨터 시스템은 CPU와 메모리로 구성된 컴퓨터와 I/O device, 즉 입출력 장치 들로 구성된다.

이제 하나하나 위의 사진을 바탕으로 설명할 것이다.

먼저 메모리라는 것은 CPU의 작업 공간 이다. 그래서 CPU에서 무언가 일을 하려면, 여기서 CPU에서 하는 일을 instruction 이라고 한다. CPU는 매 순간, 정확하게는 매 clock cycle 마다 메모리에서 instruction, 즉 기계어를 하나씩 읽어서 실행을 하게 된다.

그리고 오른쪽에 I/O device 를 살펴보면, 마우스와 키보드처럼 무언가를 입력하는 input device 와 프린터와 모니터처럼 무언가를 출력하는 output device 등이 있다. 여기서 Disk 도 일종의 I/O device 로 볼 수 있다. 보통 보조기억장치라고 불려지지만 Disk 의 데이터를 읽어서 메모리 로 읽어들이기도하고, 처리 결과를 Disk 의 파일시스템에 저장하기도 한다.

각각의 I/O device 들은 그것을 전담하는 작은 CPU같은 존재 들이 있다. 그걸 device controller 라고 부른다. 메인 CPU가 I/O device 들의 작업을 처리하는 것이 아니라 이 controller 들이 I/O device 를 위한 작은 CPU같은 역할 이라고 보면 된다.

메인 CPU 의 작업 공간인 메인 메모리 가 있듯이, 이런 device controller도 각각의 작업공간이 존재한다. 그것을 local buffer 라고 부른다.

CPU에 비해서 I/O device는 처리 속도가 느리다.

그렇다면 CPU의 역할 은 무엇일까. 위에서도 가볍게 설명했듯이 매 클럭마다 메모리에서 instruction을 하나씩 읽어서 수행하고 그러고 나면 다음 클럭에 다음 instruction을 읽고, 이런 작업이 CPU의 운명이다.

그러고 이제 CPU 안에는 메모리 보다 더 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 작은 공간 들이 있다. 그것을 이제 register 라고 부른다. 그리고 mode bit 이라는 것이 있는데 이것은 CPU에서 실행되고 있는 것이 운영체제인지 아니면 사용자 프로그램인지를 구분해주는 것 이다. interrupt line 에 대해서 설명하자면 CPU는 항상 메모리에 있는 instruction만 실행한다. 그렇다면 키보드에서 어떤 입력이 들어왔다던지 또는 Disk에서 무엇인가를 읽어와야한다면 이런것을 CPU가 알게하기 위해 interrupt line 이 존재한다.

예시를 하나 들어보면, 만약 Disk에서 무엇인가를 읽어오라는 요청은 어떻게 처리하느냐. 만약 CPU가 instruction 을 쭉 수행하다가 프로그램 A가 Disk 에서 정보를 읽어와야한다 그러면 CPU가 직접 Disk로 접근하는 것이 아니라 Disk controller 에게 특정 데이터를 어디서 읽어오라고 일을 시킨다( 여기서 일을 시킨다는 것은 일을 시키는 instruction 을 보낸다는 것이다. ) 그러면 Disk는 요청한 데이터를 읽어와 자신의 local buffer 에 집어넣는다. 자세한 설명은 아래에서 조금 더 이어가겠다.여기서 Disk의 처리 속도는 CPU 보다 현저히 느리기 때문에 이 CPU가 놀고있다면 그것은 낭비다. 그래서 CPU는 보통은 쭉 메모리 접근만 하면서 실행되다가 I/O 작업이 이루어지면 그것은 device controller에게 맡겨놓고 CPU는 다시 메모리접근을 계속 하면서 instruction을 실행하는 것이다.

이러한 방법으로 프로그램들이 여러 개 실행되고 있을 때 CPU는 빠른 시간 간격으로 여러 프로그램들을 왔다갔다하는 것이다. 이러한 면 때문에 사용자 입장에서는 CPU가 굉장히 빠르고 interactive하게 일을 처리하는 것으로 보인다.

여기서 한가지 문제가 있는데, 만약 프로그램 A가 무한루프를 도는 프로그램이라고 생각해보자. 이러한 경우에는 중간에 다른 I/O 작업을 하지 않고 계속 CPU 만 쓰게 된다. 이러한 프로그램에 CPU 가 넘어가면 프로그램이 종료되지도 않고 그렇다고 I/O를 하지도 않고 계속 CPU 만 쓸 수 있다. 그렇다면 CPU 가 다른 프로그램으로 넘어가지 않는 문제가 생길 수도 있다. 그래서 컴퓨터 안에는 timer 라는 하드웨어를 두고 있다.

timer 라는 하드웨어의 역할은 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막기 위한 것이다. 처음 컴퓨터를 켰을 때는 운영체제가 CPU를 갖고 있다가 여러 프로그램이 실행되면 그 프로그램에 CPU를 넘겨준다. 이 때 그냥 넘겨주는 것이 아니라 timer 에 값을 세팅한 다음에 사용자 프로그램에 CPU 를 넘겨준다. 이후 사용자 프로그램은 독점적으로 CPU 를 쓸 수 있는 것이 아니라 timer 에 할당된 시간이 되면 timer 가 CPU에게 interrupt를 건다. CPU는 instruction이 하나 끝나면 매번 interrupt line을 체크한다. interrupt 들어온게 없으면 다음 instruction 실행하고 이 작업을 반복한다. 만약 timer가 interrupt를 걸면 CPU가 하던것을 잠깐 멈추고 CPU의 제어권이 사용자 프로그램에서 운영체제로 넘어가게 된다. 이렇게 운영체제가 제어권을 얻게 되면, interrupt 가 걸린 프로그램에서 다음 프로그램으로 CPU 를 넘겨준다. 그냥 넘겨주는 것이 아니라 역시 timer 에 값을 세팅하고 넘겨준다. 결과적으로 timer는 CPU의 time sharing을 위한 하드웨어 장치인 것이다.

위의 예시 (Disk에서 무언가를 읽어오라는 요청과 같은 I/O 작업)을 다시 한번 살펴보자면, 만약 프로그램이 I/O 작업을 필요로하면 자진해서 CPU 를 운영체제에 넘겨주게 된다. 그 다음 운영체제가 해당 작업을 I/O controller에 시키는 구조이다. 사용자프로그램은 직접 I/O device 에 접근할 수 없다. I/O device 에 접근하는 모든 instruction은 운영체제를 통해서만 할 수 있도록 구현되어 있다.
I/O controller 가 요청한 작업이 끝나면 device controller가 CPU 에게 interrupt를 걸게 된다. 이 당시 어떤 프로그램이 CPU를 통해 실행이 되고 있었겠지만, interrupt가 들어오면 자동으로 CPU 제어권이 운영체제에게 넘어간다. interrupt를 받은 CPU가 이제 interrupt의 이유를 살펴보니 아까 어떤 프로그램이 요청했던 I/O 작업이 완료된 것을 확인한다. 그렇게 되면 이제 Disk에서 읽어온 값을 요청한 프로그램의 메모리에 카피를 해주고 다시 interrupt당한 프로그램에게 CPU를 넘겨준다.

🧩 Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치
• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드 의 operation 지원
  • 1 사용자모드 : 사용자 프로그램 수행
  • 0 모니터모드 : OS코드 수행
• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터모드 에서만 수행 가능한 특권명령 으로 규정
• Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit 을 0 으로 바꿈
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 바꿈

위에서 말하는 모니터모드는 커널모드, 시스템모드로 운영체제가 CPU에서 instruction을 수행하는 모드를 말한다. mode bit이 0일때는 운영체제가 CPU를 가지고 있어서 거의 모든 instruction을 수행할 수 있다(I/O device접근 등등). 하지만 1일때는 사용자 프로그램이 CPU를 가지고 있는 것이라서 제한된 instruction만 수행이 가능하다.

🧩 Timer

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
• time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

🧩 Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에 일어남
• Device Controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

🧩 DMA controller

• CPU와 별개로 메모리에 접근할 수 있는 장치

너무 많은 I/O 작업이 이루어진다면 그만큼 많은 interrupt가 들어오게 되고, 그렇게 된다면 CPU가 효율적으로 동작하지 못할 것이다. 이 문제를 개선하기 위해 DMA controller라는 별도의 장치를 둔다. DMA controller도 CPU처럼 메모리에 접근할 수 있는데, 왜 존재하냐고 하면 CPU가 너무많은 I/O 작업이 생기면 과부하가 걸릴 수 있는데, 이 DMA Controller가 CPU대신에 I/O 작업이 이루어져서 데이터가 담은 local buffer에서 데이터를 메모리로 복사하는 일을 해주는 것이다. 여기서 CPU와 DMA가 동시에 메모리에 접근하면 문제가 생길 수 있으니까 memory controller라는 장치를 둔다.

🧩 입출력(I/O) 의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권명령
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • 시스템콜
    • 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O를 요청
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김

  🧩 인터럽트(Interrupt)

• 인터럽트
  • 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
• Interrupt(넓은 의미)
  • Interrupt(하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Trap (소프트웨어 인터럽트 ) :
    • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 관련 용어
  • 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 갖고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴(인터럽트 핸들러) : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수