2장 System Structure & Program Execution

 

reference: kocw의 반효경 교수님 강의와 권진욱 교수님 강의(대학 정규 수업)
수업을 듣고나서 강의 교재를 타이핑하고 필기한 부분을 추가적으로 정리하였습니다.
웹뷰에서 toc를 제공합니다.
github의 md 파일로 보는 게 편하시다면, 여기로 이동해주시면 됩니다.

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1 컴퓨터 시스템 구조

1-1. 컴퓨터 시스템 구조

아래의 사진은 한 학기 내내 다시보고 다시보고 다시봤던 중요한 자료입니다.

먼저 전반적으로 어떻게 흘러가는지 살펴보려고 합니다.

메모리에서 기계어를 하나씩 읽어서 실행합니다.

CPU가 기계어를 연산(수행)한다는 것입니다.

그런데 다음 기계어를 실행하기에 앞서서 혹시 interrupt line 에 시그널(인터럽트) 들어온 게 있는지 확인합니다.

(interrupt는 가장 오른쪽에 있는 i/o device 들이 주로 발생시킵니다.)

더 자세한 내용은 아래에서 이어집니다.

1-2. Mode bit

mode bit이란?

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영 체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치이다.

 

2가지 모드의 operation을 지원한다.

• 1 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행, 안전한 기계어만 수행
• 0 모니터 모드(=커널 모드, 시스템 모드): OS 코드 수행(OS가 CPU를 실행 중일 때), CPU가 아무거나 해도 상관 X

보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 '특권명령'으로 규정한다.

모든 I/O(입출력) 명령은 특권 명령이다.

• 작동 방식

Interrupt나 Exception 발생 시 mode bit을 0으로 바꾼다. 즉 CPU가 운영체제로 넘어간다. 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 바꾼다.

1-3. Timer

timer interrupt: 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 interrupt를 발생시킨다.

OS가 사용자 프로그램 A에게 CPU를 넘길 때 타이머 시간을 세팅해서 넘겨준다.

타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소하고 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트가 발생한다.

CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호한다. (ex, 무한 루프)

타이머는 time sharing을 구현하기 위해서도 널리 이용한다.

타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용된다.

1-4. Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU (HW)
  • 제어 정보를 위해 controller register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남. CPU가 직접 I/O 작업을 하지 않음.
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

추가적으로!

device driver (장치 구동기, SW 펌웨어) : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴

device controller (장치 제어기, HW) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU

1-5. 입출력(I/O)의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령이다.

사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?

• 시스템콜(system call)
  • 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
• trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
• 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
• 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
• I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김

1-6. 인터럽트 (Interrupt)

시스템콜 (System Call)

동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 동기식 입출력
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
  • 구현 방법 1
    • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
    • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음.
  • 구현 방법 2
    • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게는 CPU를 줌
• 비동기식 입출력
  • I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
  • 따라서, 동기식보다 시간이 적게 걸림

두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다.

1-7. DMA (Direct Memory Access)

• 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
• CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
• 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트 발생시킴
• 등장 배경: 사진의 첫번째 모델은 메모리(cpu의 작업공간)에 접근할 수 있는 장치는 CPU 밖에 없다. 더 자세한 예를 들면, disk controller가 파일 읽는 작업을 끝냈다고 해서 disk controller가 직접 memory에 옮겨놓지 못한다. 그래서 cpu에게 interrupt를 빈번히 걸게 되는데, 비싼 자원인 CPU에게 비효율적이기 때문에 DMA가 나왔다. interrupt는 자주 걸리는 않도록 말이다.

1-8. 서로 다른 입출력 기계어

전자는 I/O를 수행하는 special instruction(기계어)로 I/O를 함

후자는 memory mapped I/O에 의해 즉 메모리 접근 기계어로 I/O도 함

1-9. 저장 장치 계층 구조

 

• 상위로 갈수록 용량이 작고 빠르고 비싸다. 휘발성이다.
• 하위로 갈수록 용량이 크지만 느리고 저렴하다. 비휘발성이다.

* executable: 실행 가능한

CPU가 직접 접근할 수 있는 main memory

여기에서의 issue는 caching이다: copying information into faster storage system

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2 프로그램 실행

2-1. 프로그램의 실행

1 파일 시스템에 있는 실행 파일을 실행하면

2 프로세스가 되어(Physical memory에 올라감)

3 마치면 종료

 

근데 물리적 메모리(physical memory)에 올라가기 전에

각 프로세스마다 0번지부터 있는 가상 메모리(virtual memory)주소 공간이 먼저 생긴 후

주소 변환을 통해 물리적 메모리에 프로세스가 올라간다.

 

위의 사진은 계속해서 running 상태에 있는 프로세스의 모드가 바뀌는 것을 보여주고 있다.

• user mode: mode bit 1
• kernel mode: mode bit 0

시스템 콜: cpu 제어권이 운영체제에 넘어가서 운영 체제의 주소 공간에 있는 코드가 실행

2-2. 커널 주소 공간의 내용

운영체제의 stack은 특이하다.

사용자 프로그램 A 실행 중 OS를 호출하면 커널 스택은 A의 커널 스택을 쓴다. 즉, 각 프로세스마다 별도로 두고 있다.

2-3. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 사용자 정의 함수 ㅡ> 프로세스 A의 주소 공간
  • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
• 라이브러리 함수 ㅡ> 프로세스 A의 주소 공간
  • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 가져다 쓴 함수
  • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다.

위 두 함수의 경우, 내 프로그램 안에서 program counter 값만 바꾸어 다른 위치의 기계어를 실행함.

• 커널 함수 ㅡ> 커널 주소 공간
  • 운영체제 프로그램의 함수
  • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

커널 함수의 경우, 가상 메모리의 주소 공간을 가로질러서 다른 프로그램의 영역으로 완전히 바뀜

interrupt line을 세팅해서 CPU 제어권을 운영 체제에 넘기기 때문!