[OS] 02. System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템 구조

I/O device (Input/Output Device)

• 각 I/O device 마다 device controller가 붙어 그 deveice를 전담하는 작은 CPU의 역할을 함

• device controller의 CPU의 Memory처럼 작업 공간을 local buffer라고 부름

CPU (매 클럭마다 Memory에서 instruction 하나 읽어서 실행)

• registers : 메모리보다 더 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 작은 공간

• mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지 구분해주는 것

  • 0(운영체제) : 모든 작업 가능

  • 1(사용자 프로그램) : 제한된 instruction만 실행

• interrupt line : CPU는 항상 메모리에 있는 instruction만 실행하는데, 키보드에서 입력이 들어왔다든지, 디스크에서 무엇을 읽어와야 된다든지, 디스크에 무언가를 읽어오라고 요청했는데 이 일을 다 끝냈다든지 CPU가 알 수 있도록 그것을 전달하고 받기 위해 interrupt line이 존재

• timer : 무한루프 프로그램에 갇혔을 때 timer라는 하드웨어를 두어 특정 프로그램에 CPU를 독점하는 것을 막음
  (사례) 타이머가 iterrupt를 걸면 CPU가 잠깐 멈추고 CPU 제어권이 운영체제한테 넘어가서 interrupt가 걸린 이유를 확인

  1. i/o device에서 작업한 내용이 있다면 사용자 프로그램에 작업한 내용 copy

  2. 타이머 오버됐으면 사용자 프로그램을 멈추고 다른 프로그램으로 작업을 옮기는 작업 등을 함

  3. 시스템 프로그램이 I/O 요청한 것을 확인 후 처리

• DirectMemoryAccess controller: 직접 메모리에 접근 가능한 엑세스인데 I/O 장치가 너무 interrupt를 걸어 CPU가 방해를 많이 받으므로, DMA가 local buffer에 있는 것을 메모리로 복사하여 interrupt걸리는 횟수를 줄임

• memory controller: DMA controller와 CPU가 동시에 메모리 접근하는 것을 중재하는 역할

CPU가 메모리 주소를 읽는 법

CPU 안에 program counter register 가리키고 있는 메모리 주소에서 instruction을 읽어와서 CPU가 실행

• 일반적으로는 이후 4가 증가하여 다음 instruction 주소를 가리킴

• 예외적으로 jump 하여 instrucition 실행하기도 함

• 메모리 읽는 사이 마다 interrupt가 들어온지 확인
  (interrupt가 들어오면 CPU 제어권이 OS로 넘어감)

Mode bit

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요

Mode bit을 통한 하드웨어적으로 두가지 모드의 operation 지원

1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행

0 모니터 모드(=커널 모드, 시스템 모드) : OS코드 수행

• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 ’특권명령’으로 규정

• Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈

• 사용자 프로그램에게 CPU 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

Timer

타이머

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴

• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소

• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생

• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호

타이머는 time sahring을 구현하기 위해 널리 이용

타이머는 현재 시간 계산하기 위해서도 사용

Device controller

I/O device controller

• 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU

• 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  (CPU한테 지시받거나 디바이스에 지시하기 위한 것)

• local buffer를 가짐 (일종의 data register)

I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남

Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

참고

※ device driver (장치구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 → software

※ device controller (장치제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → hardware

입출력(I/O)의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령

(사용자 프로그램은 운영체제 통해서만 접근 가능)

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 명령어로 옮김

인터럽트(Interrupt)

현대 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨

인터럽트

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다

넓은 의미의 인터럽트

• interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어(I/O, 타이머)가 발생시킨 인터럽트

• Trap (소프트웨어 인터럽트)

  • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우

  • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우 → 필요에 의한 서비스 요청

관련 용어

• 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음

• 인터럽트 처리 루틴 (=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

시스템콜 (System Call)

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

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