OS-1-Introduction

dragonappear·2021년 3월 7일

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# outline:

Operating systems definitions:

컴퓨터 하드웨어(CPU,Memory,storage,I/O device)를 관리한다.
-하드웨어에 대한 접근을 관리한다.
-Accounting: OS는 하드웨어 사용 통계자료를 제공한다.(작업관리자)
-error detection
프로그램 실행을 제어한다.
-scheduling: 타임라인에 프로세스를 할당
-error reporting: (ex:segmentation fault:메모리 엑세스 잘못했을때)
OS의 위치: between application programs(ex:game) and system programs(작업관리자,윈도우탐색기)

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)
OS는 효율적이고 공평한 하드웨어 사용을 위해 충돌하는 프로세스들의 요청들에 대한 하드웨어 할당을 결정한다.
OS는 에러와 잘못된 컴퓨터 시스템 사용을 방지하기 위해 프로그램의 실행을 제어한다.

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

★★★ 세가지 기본 원칙 ★★★
-computer system i/o operation
-i/o structure
-interrupt
-Storage structure

computer system i/o operation:
-어떠한 장치던지 각각의 device controller가 있고, controller에는 local buffer를 가지고 있다.
-I/O: 메인 메모리와 local buffer 사이에 data의 이동
-I/O 디바이스와 CPU는 동시에 실행할수 있다 -> DMA(direct memory access)
-디바이스 컨트롤러는 operation이 끝났음을 cpu에게 interrupt를 발생시켜 알린다.
I/O structure:
-I/O transactions은 bus를 통해 이루어진다.(address,data,control signals을 이동시키는 병렬 와이어)
-DMA: CPU의 개입없이 디바이스 독자적으로 메인메모리와 I/O transaction을 수행하는 프로세스 -> CPU의 멀티프로세싱 기능을 가능하게 해줌.
-interrupt: 디바이스의 DMA가 끝났음을 CPU에게 알려주는것

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

Interrupt의 과정:
1. 디바이스 A가 CPU에게 interrupt를 보냄.
2. CPU는 실행중인 instruction을 중지하고, 중단된 instruction의 주소를 저장한다.
3. interrupt vector(ISR의 주소를 담고있는 테이블[디바이스-ISR의 주소])을 확인한후 A의 ★★★ISR(interrupt service routines=함수(중간에 실행되었기 때문에 간결하고 빠르게 실행되도록 코드화되어야함))을 실행(분기)한다.
4. ISR이 끝나면 중단되었던 instruction을 다시 실행한다.

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

Difference between interrupt and trap:
-interrupt: caused by events external to the processor -> asychronous
-trap: caused by events that occur as a result of executing an instruction -> synchronous.
- system call: application program이 하드웨어를 사용하기 위해 OS에게 요청하는 메커니즘 (API)
- segmentation fault: exception (ex: 메모리접근에러)

Storage structure:
1. Main memory(volatile): DRAM, CPU와 직접적인 연결이 되어있다.
2. Secondary storage(nonvolatile): Magnetic disk(HDD,SSD)
3. Tertiary storage: back-up용

Caching, prefetching 기법:
- storage은 cost와 performance가 trade-off 관계이다.
- caching 기법: 용량이 작지만 접근이 빠른 storage를 cache memory로 사용하는것.
- prefetching 기법: 미래에 읽어들일 디스크에 있는 data를 미리 memory에 올리는것.

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

multiprogramming(multi-tasking):
- CPU scheduling: cpu가 실행할 프로세스를 결정하는것.
- job scheduling: 메모리에 어떤 프로세스를 올릴것인지 결정하는것.
- switching: timeline에 있는 프로세스간의 이동 => context switching.
- Swapping: 메모리공간이 부족할때, 반드시 실행해야할 프로세스를 디스크에서 메인 메모리에 올리는것(swapping in), swapping in을 위해서 다른 프로세스가 메모리에서 쫓겨나는것(swapping out)
- virtual memory: (추상적인 개념)메인 메모리에는 올려지지 않았고 현재 실행되고 있는 프로세스의 집합이 사용하고 있는 메모리 공간. <-> pysical memory(메인메모리 공간)
- process: 현재 실행중인 프로그램
dual-mode operation:
- usermode and kernel mode
- 하드웨어에 있는 A mode bit가 0이면 kernel mode, 1이면 usermode.
- dual-mode operation protect operating system from errant user( privileged instruction은 kernel 모드에서만 실행되기 때문이다.)

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

process concept(3장):
- CPU의 속도가 너무 빨라서, process 간에 context switch하는것을 알아차릴수없다.
- 눈으로 보았을때 하나의 process만 실행하는것처럼 보인다.
Thread and concurrency(4장):
- 멀티프로세스를 실행하였을때 발생하는 context switch와 프로세스를 유지시키기 위해 발생하는 overhead를 줄이기 위해 thread의 개념이 발생하였다.
Scheduling(5장):
- 다양한 프로세스 중에서 cpu가 다음에 실행할 process를 선택하는것
Synchronization(6장,7장):
- OS는 좋은 결과를 만들기 위해 프로세스를 협력시켜야한다.
- race condition(잘못된 결과를 출력하는것) ex) 2+3=4 를 해결하기 위해 semaphore, critical section 이 발생하였다.
Deadlock(8장):
- 만약 프로세스 간의 coordination이 안되면, 프로세스가 실행되지 않는다.

명령어가 실행되기 위해서는 메모리에 있어야한다.
하지만 메인메모리의 용량은 정해져있기 때문에 몇몇 프로세스는 virtual memory에 저장되어있다. -> virtual memory size > physical memory size
virtual memory에 있는 프로세스를 실행하기 위해서는 -> OS가 실제주소로 address translation을 해줘야한다.
출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)
```
int * a;
printf("%d",&a);
```
를 실행하였을때 virtual address(!=physical memory)가 출력된다.

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

address translation은 execution time때 발생하기 때문에 변환이 매우 빠르게 이루어져야한다.
그래서 CPU는 MMU(memory management unit)(ex:hardware)에게 도움을 받는다.

출처: Abraham Silberschatz, Greg Gagne, Peter B. Galvin『Operating System Concepts』(2019)

HDD: seek time이 오래걸린다.
NVM(non volatile memory): 호스트 pc에 어떻게 연결되어있는지에(sata,nvme) 따라서 nvm이 interface를 사용하는 것이 결정된다.