CSAPP 8장 번외편 | 운영체제, 커널, CPU, 시스템 콜 정리

---

앞서 사용자모드/ 유저모드/ 시스템콜에 대해 간단히 알아본 적이 있다.
CS:APP 8장을 읽다보니, 개념적인 부분에서 혼동이 와서
좀 더 알아보려 한다.

---

사용자 모드 vs 커널 모드?

컴퓨터는 아주 똑똑하면서도, 엄청 조심성이 많은 기계다.
그래서 "누가 뭘 할 수 있는지"를 아주 명확하게 나눠놓는다.
( cs:app 공부하는 내내 느꼈다. 컴퓨터는 책임의 주체를 늘 명시해둔다. 🖥️)

이전 글에서 사용했던 그림을 재사용하겠다. 😊

사용자 모드(User Mode)
→ 일반 사용자 프로그램이 실행되는 안전한 공간

커널 모드(Kernel Mode)
→ 운영체제가 실행되는 최고 권한의 영역 (모든 걸 할 수 있음)

CPU는 이 두 모드를 왔다 갔다 할 수 있게 만들어져 있다.
→ "일반적인 상황에서는 사용자 모드,
→ 시스템적으로 중요한 일이 생기면 커널 모드!

이렇게 구분하면 시스템이 훨씬 더 안정적이고 안전하게 돌아간다.
좀 더 자세히 살펴보자.

---

사용자 모드

말 그대로, 일반 사용자 프로그램이 실행되는 공간이다.

ls, vim, gcc, 내가 짠 main() 함수 같은 것들 전부 다 사용자 모드에서 실행된다.
메모리/장치 접근이 제한돼 있다.(보안 + 안정성 때문!)

예시

int main() {
   printf("hello\n");  // 여기까진 사용자 모드!
}

사용자모드에서 커널모드로 넘어가는 흐름을 자세히 살펴보자.

printf() 함수는 C 표준 라이브러리의 함수이다.
아직 커널 기능은 사용 안 했고, 그냥 일반적인 함수 실행 중이므로 아직까지 사용자모드다.

printf() 내부에서는 write() 시스템 콜을 호출한다.
이 시점에 커널에게 "화면에 출력 좀 해줘요!" 하고 요청서가 들어가는것이다.

➡️ 이렇게 커널 모드로 전환된다.
커널이 요청서를 받아서 작업을 처리한 후, 다시 사용자 모드로 복귀한다.

---

커널 모드

커널 모드(Kernel Mode)는
컴퓨터 시스템 안에서 가장 높은 권한을 가진 환경이다.

우리가 사용하는 일반 프로그램들은 이곳에 직접 들어올 수 없고,
오직 운영체제의 핵심 부분인 커널만 이 커널 모드에서 실행된다.

---

개념 시각화 (만화로 이해하기)

CSAPP 8장을 읽다 보니,
운영체제 / 커널 / 커널모드 / 유저모드 / 시스템 콜 / CPU ...
이 모든 개념이 머릿속에서 한데 엉켜버렸다.

그래서 또 그림으로 한번 표현해봤다. 😅

1️⃣ 전체 구조 이해

• 운영체제(OS) 를 하늘에서 컴퓨터 전체를 바라보는 총 책임자로 비유했다. ☁️
• 운영체제의 핵심 엔진인 커널은 요청이 들어오면 커널모드로 발령 받아 일을 처리하는 관리자이다.
• CPU는 컴퓨터의 뇌이자, 실질적 실행주체이다.
  유저 모드에서 일하다가 커널의 호출에 따라 커널 모드로 이동해 일하기도 한다.

2️⃣ 시스템 콜 발생

이때, 시스템 콜 호출이 발생한다.
운영체제가 요청을 받아 커널모드의 커널에게 요청을 넘긴다.

3️⃣ 커널 모드 진입 (트랩 발생)

운영체제가 명령을 내리면,
CPU는 트랩(trap)이라는 통로를 통해 커널 모드로 이동한다.

4️⃣ 작업 완료 후 유저 모드 복귀

일을 끝낸 CPU는 다시 유저모드로 ✨뿅하고 이동한다.
이제 다음 사용자 명령어를 계속 실행할 수 있다.

커널은 말 그대로 요청이 있을 때만 나와서 처리하고,
끝나면 유저모드로 컨트롤을 다시 넘겨주는 구조다.

---

요약하자면

구성 요소	역할
운영체제(OS)	컴퓨터 전체를 총괄 지휘하는 관리자
커널(Kernel)	OS의 핵심. 요청이 있을 때 커널 모드에서 처리
CPU	실제로 모든 명령을 실행하는 뇌. 사용자/커널 모드 어디든 간다
시스템 콜	사용자 프로그램이 커널에게 요청을 보내는 공식 절차
트랩(Trap)	사용자 → 커널 모드 전환 시 사용되는 통로