2. System Structure & Program Execution

System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템 구조

• CPU는 매 클록 주기 마다 Memory에서 명령어를 읽어와 명령 수행
• Memory는 CPU의 작업 공간
• 사용자 프로그램이 I/O 요청할 때는 운영체제에게 CPU를 넘기고, 요청한 작업이 끝나 결과를 받을 때 까지 대기
  • 그 동안 CPU는 다른 프로그램을 수행
  • CPU는 매 프로그램의 종료 이후, 들어온 Interrupt가 있는지 확인

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치가 필요

• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 2가지 모드의 Operation 지원

  • 사용자 모드(1): 사용자 프로그램 수행
    • 제한된 접근, 프로그램의 수행만 가능
  • 커널 모드(0): OS 코드 수행
    • 모든 접근, 프로그램의 수행이 가능
• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 커널 모드에서만 수행 가능한 특권 명령으로 규정
• Interrupt나 Exception 발생 시, 하드웨어가 mode bit을 0으로 세팅
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

Timer

• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
• 정해진 시간이 흐른 뒤, 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 Interrupt를 발생시킴
• Timer는 매 Clock tick 마다 1씩 감소
• Timer 값이 0이 되면 Timer Interrupt 발생
• Timer는 Time Sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 또한, 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

Device Controller

• 각 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
• 제어 정보를 위해 Control, Status register를 가짐
• I/O 장치의 결과를 저장하기 위한 Local buffer를 가짐
• I/O는 실제 Device와 Local buffer 사이에서 일어남
• Device Controller는 I/O가 끝났을 경우, Interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
• Device Driver(장치 구동기): OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> Software

I/O의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령 through.OS
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • System Call
    • 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
  • Trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후, I/O 수행
  • I/O 완료 시, 제어권을 System Call 다음 명령으로 옮김
• 즉, I/O의 수행을 위해서는 2가지 인터럽트가 걸리는 것
  • I/O 요청 시의 Software Interrupt + I/O 완료 시의 Hardware Interrupt

Interrupt

• 인터럽트 당한 시점의 Register와 PC를 저장한 후, CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
• Interrupt: 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
• Trap: 소프트웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • ex) 운영체제의 메모리 접근, divide by zero
  • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 관련 용어
  • 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴(인터럽트 핸들러): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 동기식 입출력(Synchrounous I/O)
  • I/O 요청 후, 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
  • 구현 방법 1
    • I/O가 끝날 때 까지 CPU를 낭비
    • 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
  • 구현 방법 2
    • I/O가 완료될 때 까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게 CPU를 줌
    • I/O 요청이 끝나면 바로 요청했던 프로그램에게 CPU를 넘겨줌
• 비동기식 입출력(Asynchrounous I/O)
  • I/O가 시작된 후, 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
• 두 경우 모두 I/O의 완료는 Interrupt로 알려줌
• I/O 결과가 다음 명령어 실행에 영향을 미치는 경우, 동기식 입출력을
• 그렇지 않을 경우, 비동기식 입출력을 사용할 수 있음

DMA(Direct Memory Access)

• 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
• CPU의 중재 없이 Device controller가 device의 Buffer storage 내용을 메모리에 Block 단위로 직접 전송
• Byte 단위가 아니라 Block 단위로 Interrupt 발생시킴

서로 다른 입출력 명령어

1. Using I/O instruction: 메모리 접근하는 명령어 따로, I/O 장치 접근하는 명령어를 따로 두는 명령어 방식
2. Memory Mapped I/O: I/O 장치들에 메모리 주소를 메겨, 메모리의 연장 선상으로 사용하는 방식

프로그램의 실행 (메모리 Load)

• 프로그램은 '실행 파일' 형태로 File System에 저장
• 각 프로그램은 프로세스로 변환되면서 고유의 Address space 형성
  • code, data, stack 등으로 구성
  • Kernel 역시 주소 공간을 형성하여 메모리에 올라감
• 각 프로세스는 Address translation을 통해 Physical memory에 탑재
• 프로그램의 실행을 위해 Memory에 올라가있을 필요가 없는 메모리들은 Swap area(HDD)에 내려 놓음
  • 일종의 Memory 연장 공간

커널 주소 공간의 내용

• 어떤 사용자 프로그램이 커널 코드를 실행 중인지에 대해 알기 위해 프로세스 마다 커널 스택을 따로 둠

사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 사용자 정의 함수
  • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
• 라이브러리 함수
  • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 가져다 쓰는 함수
  • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있음
• 커널 함수
  • 운영체제 프로그램의 함수
  • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

모든 출처는 반효경 교수님 운영체제 강의