[Operating System] 시스템 구조와 프로그램 실행 - 1

반효경 교수님의 운영체제 강의를 듣고 정리하였습니다.

또한, infoqoch님의 블로그와 HAEIN님의 블로그를 참조하였습니다.

컴퓨터 시스템 구조

(사진 출처: KOCW)

 

CPU

• CPU는 매 클럭마다 Memory에서 Instruction을 읽고 실행하는 것을 반복한다.
  • program counter는 다음으로 수행해야 할 instruction의 주소를 가리킨다.
  • CPU는 매번의 instruction마다 interrupt가 있는지 확인한다.
  • 만약 interrupt가 있으면 CPU의 사용 권한이 프로세스에서 운영체제(커널)로 넘어간다.

 

Mode Bit

• 사용자가 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
• Mode Bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원
  
  • - 1 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행 - 0 모니터 모드(= 커널 모드, 시스템 모드): OS 코드 수행
  • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권명령으로 규정
  • interrupt나 exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
  • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

(사진 출처: 깃허브 블로그)

 

타이머(Timer)

• 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것으로부터 보호
• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• time sharing을 구현하기 위해 널리 사용됨
• 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

 

시스템 콜(System Call)

• 시스템 콜이란, 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

 

인터럽트(Interrupt)

• 현대 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨
• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
• interrupt(넓은 의미)
  • interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
    • timer: cpu의 독점 방지, 프로그램의 무한 루프에 대비하여 timer를 가진다.timer는 cpu를 일정 시간 이상 점유하면 cpu를 빼앗고 다음 프로세스에 cpu를 넘긴다.
    • I/O interrupt: I/O에서 입력이 발생하면 인터럽트가 되어 해당 값이 CPU로 이동한다.
    • DMA 컨트롤러의 인터럽트
  • Trap(소프트웨어 인터럽트):
    • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • System Call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 관련 용어
  • 인터럽트 벡터
    • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴(=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
    • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
  • 인터럽트가 발생하면 인터럽트 처리 루틴에 따라 cpu가 작동함(with 인터럽트 벡터)

 

입출력(I/O)의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • 시스템 콜(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

 

Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • 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

 

device driver(장치구동기)

: OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> software

device controller(장치제어기)

: 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware