운영체제(OS) - System Structure & Program Execution (2)

본 글은 (KOCW) 운영체제, 이화여자대학교 반효경 교수님의 강의를 듣고 내용을 요약 및 정리했습니다.
개인 공부에 목적이 있으며, 자세한 사항은 여기를 참고하시면 됩니다.

Chapter 1.
- 강의소개 - 28분
- Introduction to Operating Systems - 1시간 8분

(+) 인프런의 주니온 박사님의 운영체제 공룡책 강의를 듣고 내용을 보충했습니다. 자세한 사항은 여기를 참고하시면 됩니다.

컴퓨터 시스템 구조

• 운영 체제(operating system) : 사용자/응용 프로그램과 컴퓨터 하드웨어 사이의 중개자 역할을 하는 프로그램
  • 즉, 하드웨어를 쉽게 사용하기 위한 시스템이다.
• CPU, Memory, Input과 Output 디바이스로 이뤄져 있다.

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치 필요
• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 동작을 지원한다.
  • 0: 사용자모드 (user mode)
    • 사용자 프로그램 수행, 모든 instruction 수행 가능하다.
  • 1: 모니터모드 (kernel mode)
    • OS 코드 수행
    • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터모드에서만 수행가능한 명령으로 규정(특권명령)
    • Interrupt Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꾼다.
    • 사용자프로그램에게 cpu를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅한다.

Timer

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에 제어권이 넘어가도록 인터럽트 발생시킨다.
• 매 클럭 틱마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• cpu를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호한다.

Device Controller

• I/o device controller (DC)
  • 실제 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 cpu
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가진다.
  • 각 device conroller는 Local buffer를 가진다. (일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer사이에서 일어난다.
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 Cpu에 그 사실을 알린다.

• 장치 구동기(device driver) : os코드 중 각 장치별 처리 루틴 (software)

• 장치제어기(device controller) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 cpu (hardware)

입출력(I/O)의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권명령
• 그렇다면 사용자프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • system call로 사용자프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가르키는 인터럽트 서비스루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인후 I/O 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음명령으로 옮긴다.

시스템콜(System Call)

• 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널함수를 호출하는 것이다.
  • 뒤에 나올 개념인 synchronous에 해당한다.

인터럽트(Interrupt)

• 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다.
• 인터럽트(interrupt) : 주변장치가 cpu의 서비스가 필요한 경우 신호를 발생시켜 서비스를 요청하는데, 이때 발생시키는 신호
• 인터럽트 강한 시점의 레지스터와 program counter를 저장한 후 cpu의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
• Interrupt(넓은 의미)
  • Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Trap(소프트웨어 인터럽트)
    • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 관련 용어
  • 인터럽트 벡터(interrupt vector) : 해당 인터럽트의 처리루틴주소를 갖고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴(interrupt service routine, 인터럽트 핸들러): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

• CPU는 인터럽트를 감지했을 때 interrupt handler라고 불리는 기능을 실행하도록 설계되었다.
• IDT(Interrupt Descriptor Table)는 각 인터럽트를 해당 인터럽트 핸들러의 주소와 연결한다.

입출력 구조 - 동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 동기식 입출력 (Synchronous I/O)
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어간다.
  • 구현방법 1
    • I/O가 끝날 때까지 cpu를 낭비시킴
    • 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
  • 구현방법 2
    • I/O 가 완료될 때까지 해당 프로그램에서 cpu를 빼앗음
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게 cpu를 줌
  • ex. system call
• 비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)
  • I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어간다.
  • ex. interrupt
• 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다.

DMA(Direct Memory Access)

• DMA(Direct Memory Access)
  • 입출력 장치를(자주 인터럽트가 일어남) 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
  • cpu의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block단위로 직접 전송
  • 바이트 단위가 아니라 block단위로 인터럽트를 발생시킴

서로 다른 입출력 명령어

• I/O를 수행하는 special instruction에 의해
• Memory mapped I/O에 의해

저장장치 계층 구조

CPU에서 직접 접근하여 실행할 수 있는 매체를 primary 또는 executable이라고 하며, CPU가 직접 접근하여 처리할 수 없는 매체를 secondary라고 한다.

• Speed
• Cost
• Volatility(휘발성) : 위의 내부 기억장치 - 휘발성 매체 / 아래의 외부기억장치 - 비휘발성 매체
• 휘발성 : 컴퓨터의 전기가 나가면 휘발되는 메모리

• Cashing : 더 빠른 저장장치에 많이 쓰이는 데이터들을 복사해 놓는 것

(아래에서 위로 갈수록 더 빠르고 비싸고 휘발성 )

Primary, 휘발성 메모리
Registers
Cache Memory
Main Memory

Secondary, 비휘발성 메모리
Magnetic Disk
Optical Disk
Magnetic Tape

프로그램의 실행(메모리 load)

• File System안에 실행파일A, B(일반적으로 Bin). 실행파일을 실행시키게 되면 메모리안에서 프로세스로 올라가게 된다. 정확하게는 중간에 가상메모리 를 거치게 된다.
• 가상메모리(Virtual Memory)는 각 실행파일마다 가지고있는 고유의 메모리 주소 공간이라고 부른다.
• 프로세스마다 기계어 코드를 담고 있는 code, 변수 등 프로그램이 사용하는 자료구조를 담은 data, 함수를 실행하고 리턴할 때 데이터를 쌓았다가 내보내는 stack이 있는 address space가 존재한다. 이러한 주소공간을 갖고 있는 것을 물리 공간으로 옮겨서 실행시키게 된다. 물리 공간의 커널 영역은 항상 존재하지만 사용자프로그램은 프로그램 실행이 종료되면 주소공간이 생겼다가 사라지는 부분이다.
• 그러나 메모리 낭비를 막기 위해 필요한 부분만 물리적 메모리에 올리고 현재 필요하지 않은 부분은 디스크 swap area에 내려놓게 된다.
• 하드디스크의 File Area과 하드디스크의 Swap Area는 Swap area는 전원이 나가면 의미가 없으나(휘발성) File area는 비휘발성이다.

• 또는 process의 emory layout를 이렇게 나눌 수 있다.

• Text section : 실행가능한 코드
• Data section : 전역 변수
• Heap section : 프로그램이 동작하는 동안 동적으로(dynamically) 할당되는 메모리
• Stack section : 함수를 부를 때 일시적인 데이터 공간 (function parameters, return addresses, local variables)

커널 주소 공간의 내용

사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 함수
  • 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

References

• [운영체제] 전체 기본 개념 정리