"KOCW - 반효경 교수님의 운영체제" 를 듣고 정리한 내용입니다.
System Structure & Program Execution
컴퓨터 시스템 구조
(사진 출처 - KOCW 운영체제 강의)
CPU는 평생 메모리에 접근하여 명령어를 실행하는 일만 한다. 명령어 하나를 처리하면 Program Counter를 1 증가시켜 다음 명령어를 실행한다.
Mode bit
- 사용자 모드 (1) : 사용자 프로그램 수행
- 커널 모드 (0) : OS 코드 수행
- 운영체제가 CPU를 갖고 있으므로 모든 명령어 수행 가능 (메모리 접근, I/O 접근 등)
interrupt 나 exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꾼다. 운영체제에서 사용자 프로그램으로 CPU를 다시 넘길 때에는 mode bit을 1로 바꿔서 넘긴다.
Timer
타이머는 time sharing을 구현하기 위해 사용되는데, 무한루프와 같이 CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호해준다. 그래서 운영체제가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨줄 때 타이머에 시간 세팅을 하고 넘겨준다. 할당된 시간이 끝나면 타이머가 CPU에게 인터럽트를 걸어 다시 CPU가 운영체제 쪽으로 넘어간다.
Device Controller
I/O 장치를 전담하는 일종의 작은 CPU로 실제 데이터를 저장하는 local buffer 와 제어 정보를 위한 control register 를 갖는다.
ex) 화면에 출력할 데이터는 local buffer에 넣고, 실제 "화면에 출력해" 라는 지시는 control register에서 실행한다.
- device driver : OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 (software)
- device controller : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU (hardware)
DMA (Direct Memory Access)
원래는 CPU만 메모리에 접근할 수 있다. 하지만 DMA Controller를 둠으로써 CPU와 DMA Controller 둘 다 메모리에 접근할 수 있게 된다.
- CPU와 DMA Controller가 메모리에 둘 다 접근하는 오버헤드
- memory controller 가 중재자 역할 (교통 정리)
- CPU가 모든 I/O 장치의 인터럽트를 처리하기엔 비효율적
- DMA Controller가 local buffer에 있는 데이터를 메모리에 복사해줌으로써 CPU 효율성 상승
입출력(I/O)의 수행
- 모든 입출력 명령은 특권 명령
- 사용자 프로그램이 I/O 장치에 접근하는 방법
- system call : 사용자 프로그램이 운영체제의 커널 함수를 호출하는 것 (I/O 요청)
- trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
인터럽트 (Interrupt)
인터럽트 당한 시점의 레지스터와 PC (Program Counter)를 저장한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
- interrupt (HW interrupt) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트 (timer interrupt, I/O controller interrupt 등)
- trap (SW interrupt)
- exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
- system call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
따라서 I/O 요청할 때에는 소프트웨어 인터럽트와 하드웨어 인터럽트가 모두 필요하다.
- 사용자 프로그램이 I/O 요청을 위해 소프트웨어 인터럽트 (system call 호출)
- I/O 작업이 끝나면 "일을 다 했다" 고 하드웨어 인터럽트로 CPU에게 알림
현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다.
- 인터럽트 관련 용어
- 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 갖고 있는 테이블
- 인터럽트 처리 루틴 (= 인터럽트 핸들러) : 실제 인터럽트를 처리하는 함수
동기식 입출력과 비동기식 입출력
- 동기식 입출력 (Synchronous I/O)
- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 다시 사용자 프로그램으로 넘어감
- 비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)
- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료되기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램으로 즉시 넘어감
두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다.
(사진 출처 - 티스토리)
서로 다른 입출력 명령어
- 일반적인 I/O 방식
- CPU에서 수행할 수 있는 instruction은 메모리에 접근하는 instruction과 I/O 장치에 접근하는 instruction 두 가지 존재
- Memory Mapped I/O
- I/O 장치에도 메모리 주소를 입혀 메모리에 접근하는 instruction으로 I/O 장치에도 접근
저장장치 계층 구조
(사진 출처 - 티스토리)
위로 갈수록 속도가 빠르고, 값이 비싸 저장 용량이 적다.
- Primary (Executable) : CPU에서 직접 접근해서 처리, 휘발성
- Secondary : CPU에서 직접 접근 불가, 비휘발성
커널 주소 공간의 내용
- code
- 자원 관리를 위한 코드
- 시스템콜, 인터럽트 처리 코드
- 편리한 서비스 제공을 위한 코드
- data
- 운영체제가 사용하는 여러 자료구조 정의
- PCB (Process Control Block) : 각 프로그램을 관리하기 위한 자료구조
- stack
- 각 프로세스의 커널 스택
사용자 프로그램이 사용하는 함수
- 사용자 정의 함수 → 프로세스 A의 code 영역
- 내가 직접 작성한 함수
- 라이브러리 함수 → 프로세스 A의 code 영역
- 누군가 만들어놔서 갖다 쓴 함수
- 커널 함수 → 커널의 code 영역
- 운영체제 안에서 정의된 함수
- 커널 함수의 호출 = 시스템콜
프로그램의 실행
(사진 출처 - 벨로그)
