OS - System Structure & Program Execution 2

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🚀 System Structure & Program Execution 1에서 이어지는 내용입니다.

🧩 동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 동기식 입출력(synchronous I/O)
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
  • 구현방법 1
    • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
    • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
  • 구현방법 2
    • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게 CPU를 줌
• 비동기식 입출력( asynchronous I/O)
  • I/O 가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에게 즉시 넘어감

동기식의 뜻은 대충 '시간적으로 맞추다' 라고 이해하면 된다. 비동기식은 반대이다. 위의 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다. 동기식은 I/O 작업이 끝나기까지를 기다린 다음 그 작업을 확인하고 다음 instruction을 진행한다. 비동기식은 이와 반대로 I/O 작업이 되는동안 가만히 기다리지 않고 CPU제어권을 얻어와서 다른 작업들을 진행하는 방식이다.

동기식과 비동기식은 작동하는 방식에 따라 다른 부분에서 쓰인다. 만약 내가 무엇인가를 read해오는 작업이 필요하면 그 read해온 데이터를 바탕으로만 코드가 진행되는 경우가 있을 것이다. 이러한 경우에는 동기식이 더 적당하다. 하지만 만약 write의 경우 내가 무엇인가를 입력하면 그것이 정말 출력이되었는지 확인을 하지 않아도 작업을 진행할 수 있다. 이런 경우에는 비동기식이 적당하다. 따라서 이 두 방식은 원하는 바에 따라 구현하기 나름이다.

만약 동기식 입출력을 하게 된다면 I/O작업이 완료되기 전까지 기다리는 방식이 된다. 이러한 경우 CPU는 놀고있게되는데, 이러한 것을 방지하기 위해서는 위의 동기식 입출력 방식 2 를 보면 된다.보통은 동기식 입출력의 방식은 2번을 택한다.

🧩 서로 다른 입출력 명령어

I/O를 수행하는 방식 역시 두가지로 나뉜다.

• 1번: I/O를 수행하는 special instruction에 의해
• 2번: Memory Mapped I/O에 의해

1번이 보통 일반적인 I/O 방식이다. 우리가 CPU에서 실행할 수 있는 instruction에는 메모리에만 접근하는 instruction과 I/O 장치에 접근할 수 있는 instruction이 있다. 메모리의 주소 뿐만 아니라 I/O device도 주소가 있어서 그 특정주소에 대해서 I/O에 접근하는 instruction을 실행하는 방법이다.

2번은 I/O device들에다가 메모리 주소를 매겨서 메모리 주소에 접근하는 것처럼 I/O device에 접근하는 방식이다. I/O 장치에도 메모리주소의 연장주소를 붙인 다음에 메모리접근 instruction으로 I/O device에도 접근하는 것이다.

🧩 저장장치 계층 구조

다시 하드웨어적인 얘기로 돌아와서 저장장치 계층 구조에 대해 이야기해본다. 위의 구조가 저장장치의 계층 구조이다. 사실 그림의 맨 위에는 CPU가 존재한다. 위로 갈수록 보통 속도는 빠르지만 단위당 가격이 비싸기 때문에 용량이 적고, 아래로 갈수록 속도는 느리지만 저장할 수 있는 양이 많아진다.

또 위의 그림에서 볼 수 있는 volatile storage와 nonvolatile storage의 의미는 휘발성이냐 휘발성이지 않냐이다. 위의 선을 기준으로 volatile이라고 써있는 것들은 전원이 나가면 내용이 사라진다. nonvolatile은 그 반대이다.

다음 CPU에서 직접 접근할 수 있는 부분을 Primary storage 라고 하고 그 외의 secondary와 tertiary storage는 CPU가 직접 접근할 수 있는 부분이 아니다.

🧩 caching

위의 구조를 바탕으로 캐싱이라는 용어를 알아보자. 간단하게 말하면 더 빠른 저장 시스템을 위해 정보를 복사하는 것을 이야기한다.
위에서 말한대로 위로 갈수록 용량이 적기 때문에 아래쪽에 있는 내용을 전부 위에 올려놓을 수는 없다. 또한 속도차이가 나기 떄문에 이러한 것을 완충하기 위해 중간에 cache memory를 둔다. 당장 필요한 것만 밑에서 위로 올려쓰는데 그런 작업을 caching 이라고 한다. 보통 캐싱은 재사용에 쓰인다. 한번 읽어들인 데이터를 caching memory에 담는다면 다시 밑에까지 가서 가져올 필요가 없다.

🧩 프로그램의 실행 (메모리 load)

위 그림과 같이 만약 어떤 프로그램을 실행하게 된다면 바로 물리적메모리에 올라가지 않고 가상메모리에 올라가게 된다. 저렇듯 각 프로그램마다 가상메모리에 주소공간이 생기는데, 그 공간은 stack, data, code 로 이루어진다. 이렇게 독자적으로 확보한 가상메모리공간을 토대로 물리적메모리에 올려서 실행하게 된다. 물리적메모리에서 커널영역은 항상 존재하지만, 물리적메모리에 올라온 사용자프로그램은 프로그램이 종료되면 사라지게 된다. 만약 물리적메모리에 모든 사용자프로그램을 올리게 된다면 메모리가 부족해질테니, 가상메모리에서 그때그때 필요한 부분들만 물리적메모리에 올려서 실행하는 방식이다. swap area 는 물리적메모리에 올라가지 못한 나머지 가상메모리의 부분들이 담기는 곳이다.

따라서 위에서 두개의 디스크(File area, Swap area) 가 존재하는데 File area의 데이터들은 전원이 나가도 사라지지 않지만, Swap area의 데이터들은 전원이 나가면 필요없는 데이터가 되니까 사라지게 된다.

🧩 사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 함수(function)
  • 사용자 정의 함수
    • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
  • 라이브러리 함수
    • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
    • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다.
  • 커널 함수
    • 운영체제 프로그램의 함수
    • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

🧩 프로그램의 실행 과정

프로그램은 위의 방식대로 user mode와 kernel mode를 반복하며 실행되다가 종료된다.