[Chapter 2] System Structure & Program Execution

 

컴퓨터 시스템 구조

 

"memory" = CPU의 작업 공간

"local buffer" = device controller의 작업 공간

 

CPU는 memory로부터 기계어를 읽어와 하나씩 처리하는데,(memory에 "program counter"라는 register를 두어 현재 처리해야 할 것 가리킴 !!!)

OS의 기계어를 처리할 때는 믿고 맡길 수 있지만, 사용자의 프로세스를 처리할 때는 그럴 수 없다.

(CPU 독점 코드, 무한루프 코드 -> CPU 자원 분배가 제대로 안 이루어짐)

OS의 기계어는 CPU를 사용 중일 때만 의미 있기 때문에 사용자 프로그램에게 CPU가 넘어가면 제어 못 함

 

=> "mode bit" -> 사용자 모드 / 커널 모드 구분

 

mode bit(중요)

 

: 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위해 0/1로 모드 나눔

* 사용자 모드 = 1 -> 사용자 프로그램 수행 -> 특권 명령 사용 불가(보안 해칠 우려) -> 사용하면 mode bit=0 자동 변경
* 모니터 모드(=커널모드=시스템모드) = 0 -> OS 코드 수행 -> 특권 명령 사용 가능 & I/O controller에게 맡기기 가능

 

<모니터모드(0) -> 사용자모드(1)>

: 사용자의 프로세스 수행하기 위해 다음과 같이 설정하고 넘겨줌

1. timer 설정 -> 지나면 interrupt 주어 뺏음

2. mode bit = 1로 설정하고 넘겨줌

 

 

<사용자모드(1) -> 모니터모드(0)>

: 사용자 모드 -> interrupt(I/O에게 맡긴 일 끝) OR 특권명령 실행 -> 모니터모드로 강제 변경

* 특권명령(위험한 코드)할 때 OS에게 자동으로 넘어감(mode bit=0)

* OS가 처리해야 하는 일이 있으면 -> 모니터 모드로 변경(1->0) -> OS가 메모리에 저장 -> 다시 사용자 모드로(0->1)

* timer = 사용자의 프로세스의 악의적 행동/독점을 막기 위해 두어 지나면 뺏음

 

* I/O controller도 특권 명령어이기 때문에

사용자 프로세스가 I/O controller에게 맡기고 싶다면 부탁하기 위해 system call(자진하여 interrupt)

-> CPU의 interrupt line

-> memory 내 OS 위치의 기계어로 점프하여 실행(OS에게 CPU 제어권 넘어감)

이때 기계어를 'device driver'라고 함.

 

** device controller(하드웨어)

: I/O device를 control해줌

 

** device driver(소프트웨어)

: I/O controller를 호출하는 CPU 내부의 코드

 

timer

 

: 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권 넘어가도록 interrupt

타이머값 = 0 -> interrupt -> 독점 보호

 

 

Interrupt

 

1. 타이머가

2. device controller가 일 끝나면

3. system call

4. exception(특권명령 실행 시도)

 

=> 1,2는 하드웨어 인터럽트이고

3,4는 소프트웨어 인터럽트이다.(trap이라고 부른다)

 

이렇게 interrupt가 일어나면 

각각의 경우에 맞는 인터럽트 벡터로 가서

인터럽트 처리 루틴이 실행되어 interrupt에 대응한다.

 

=> 이렇게 OS(운영체제)는 interrupt에 의해 호출되면서 작동한다.

 

synchronous I/O & asynchronous I/O

 

사용자가 I/O device에서 파일을 읽어오고 싶다면,

CPU가 모니터모드로 전환되어 OS가 대신 I/O device에게 일을 요청한다고 했었다.

하지만 I/O device는 일하는 데 오래 걸림

사용자 프로세스는 결과를 받을 때까지 어떻게 하느냐에 따라 synchronous/asynchronous로 나뉜다.

 

- synchronous I/O(동기식)

: I/O 완료될 때까지 해당 사용자에게서 빼앗고 다른 사용자에게 제어권 넘김 -> I/O 처리를 기다리는 줄에 줄세움

: 결과가 나올 때까지 주지 않다가 I/O controller의 일 처리 결과가 나오면 주면서 다시 제어권 부여

 

- asynchronous I/O(비동기식)

: I/O 작업 요청해도 빼앗지 않고 해당 사용자가 계속 쓸 수 있도록.

: 결과에 무관하게 사용자에게 곧바로 응답해서 해당 결과와 무관한 다른 일 하고 있도록.

 

DMA(Direct Memory Access)

 

: CPU의 interrupt 부담을 줄여줌

 

Interrupt가 걸리면 CPU에게는 어쨌든 비효율적이다.

"DMA": CPU 대신 controller에서 데이터를 읽어올 수 있는 보조 장치

-> interrupt를 일단 얘가 받고, 좀 쌓이면 CPU의 memory에 저장해두고 interrupt걸어 알려줌

-> CPU에 interrupt가 너무 자주 걸리는 것 막음

 

오른쪽이 DMA 추가되었을 때

 

메모리와 I/O에 접근하는 두 가지 방법

 

- 메모리 접근와 I/O접근을 따로 하는 방법

- 메모리 접근 방식을 통해 I/O에 접근하는 방법

 

저장 장치 계층 구조

 

 

위로 갈수록 (+)용량 작고 빠르지만 (-)휘발성이고 비쌈

아래로 갈수록 (-)용량은 크고 느리지만, (+)비휘발성이고 쌈

 

위쪽 부분에서 가지고 있다면 밑에까지 가지 않고(I/O device에게 요청도 불필요) 빨리 읽어 쓸 수 있어 효율적

하지만 용량은 제한돼있기 때문에 다 저장하지는 못함 (자주 쓰이는 것만)

 

프로그램의 실행(메모리 load)

 

다음과 같이 CPU의 physical memory에 올라가기 전에

사실 virtual memory, 즉 가상 메모리를 거친다.

 

- virtual memory: 각 프로세스들만의 주소

- physical memory: 사용되는 모든 프로세스들을 하나의 주소 체계로

 

=> 동일한 프로세스라도 두 memory에 각각 다른 주소로 저장되기 때문에 address translation 필요

 

<virtual memory>

 

: 다음 세 가지 구성요소 있음

 

- code: 실제로 CPU가 실행할 기계어가 존재

- data: 전역변수 등 프로그램이 실행될 때까지 남아있는 data들

* memory data(변수, 배열 등)를 쓸 때가 있음

- stack: 함수 안의 지역변수

 

 

위와 같이 각 프로세스마다, 그리고 커널도 code,data,stack를 각각 가지고 있다.

 

<kernel address space>

 

1. code

다음은 모두 운영체제의 역할이고,

운영체제의 역할이 모두 kernel space의 code에 들어가있다.

 

- 사용자에게 편리한 서비스 제공하기 위한 코드

- interrupt가 들어왔을 때 무엇을 처리해야 하는지

- 사용자가 I/O 에게서 읽어와달라고 부탁했을 때 system call 처리

- 하드웨어 자원 관리

 

2. data

- 모든 하드웨어들 관리 위한 자료구조: CPU/mem/disk 관리

- 모든 프로세스 관리 위한 자료구조: PCB(우선순위, 메모리 등에 대한 정보)

 

3. stack

 

각 프로세스마다 별도로 둠("누구에 의해 호출되어 code가 실행되었는가")

ex. A를 실행하다가 OS로 넘어왔으면 -> A의 kernel stack에 저장

 

<각 프로세스의 Address space>

 

1. code => 각 프로세스드이 사용하는 함수 정의돼 있음

 

- 사용자 정의 함수(사용자 모드)

: 내가 직접 만듦

- 라이브러리 함수(사용자 모드)

: 내가 만든 함수는 아니지만 쓰고 싶어서 가져옴

- 커널 함수(커널 모드)

: 커널의 code에 들어 있는 함수

 

=> 사용자 정의 함수와 라이브러리 함수는 내 프로세스의 code 영역에 들어있지만,

커널함수는 비록 가져다 쓰긴 했지만 내 프로세스의 code에 들어 있는 것이 아니라 kernel code 영역에 들어 있다. -> system call해서 CPU 제어권이 OS(kernel)에게 넘어간다.

 

2. data

3. stack