컴퓨터 시스템 구조와 프로그램 실행 과정

컴퓨터 시스템 구조

1️⃣ Memory

• CPU의 작업 공간
• CPU는 매순간 Memory에서 기계를 1개씩 읽어서 실행

 

2️⃣ Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 2가지 모드의 Operation 지원

1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행 👉 제한된 instruction만 실행 가능
0 모니터 모드 : OS 코드 수행 ( = 커널 모드, 시스템 모드)
    - 보안이 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권 명령으로 규정
    - Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
    - 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

 

 

3️⃣ Timer

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 Interrupt를 발생시킴
• 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• Timer 값이 0이 되면 Timer Interrupt 발생
• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호하는 역할 수행
• time sharing을 구현하기 위해 널리 이용
• 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

 

4️⃣ Device Controller

• 해당 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
• 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
• I/O는 실제 device와 local buffer(data register) 사이에서 일어남
• Device contoller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 전달

 

5️⃣ DMA Controller (Direct Memory Access Controller)

• 직접 Memory에 접근할 수 있는 Controller
• CPU와 DMA Controller 가 동시에 Memory에 접근하면 Memory Controller가 이를 조율
• I/O 장치의 잦은 Interrupt에 의해 CPU에 오버헤드가 발생할 수 있으므로 local buffer의 일이 끝났을 때 DMA Controller가 호출하고 해당 프로그램에 결괏값이 담긴 주솟값을 복사하는 일까지 모두 마치고 CPU에는 한번만 Interrupt를 걸음

 

6️⃣ Interrupt (인터럽트)

• Interrupt 당한 시점의 register와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 Interrupt 처리 루틴에 넘김
• Hardware Interrupt 👉 Timer Interrupt, Device Controller Interrupt 등 일반적인 Interrupt
• Trap (=Software Interrupt)
  • Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
  • System call : 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
• Interrupt Vector : 해당 Interrupt의 처리 루틴 주소를 갖고 있음
• Interrupt 처리 루틴 (Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러) : 해당 Interrupt를 처리하는 커널 함수 (실제 코드)

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다

 

 

I/O(입출력) 의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령

 

 

사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 할까?

• 운영체제에게 I/O를 요청 = System call
• trap을 이용하여 Interrupt Vector의 특정 위치로 이동
• 제어권이 Interrupt Vector가 가리키는 Interrupt Service routine 으로 이동
• 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
• I/O 완료 시 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김

 

 

동기식 입출력과 비동기식 입출력

동기식 입출력 (Synchrounous I/O)

• I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
• 구현방법 1️⃣
  • I/O 가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
  • 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
• 구현방법 2️⃣
  • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
  • I/O 처리를 기다리는 줄에 해당 프로그램을 줄 세움
  • 다른 프로그램에 CPU를 줌

비동기식 입출력 (Asynchrounous I/O)

• I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

📌 동기식 / 비동기식 입출력 모두 I/O의 완료는 Interrupt로 알려줌

 

 

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 Interrupt를 발생시킴

 

 

서로 다른 입출력 명령어

1️⃣ I/O를 수행하는 special instruction에 의해 👉 일반적인 I/O

2️⃣ Memory Mapped I/O에 의해 👉 I/O 장치도 Memory 접근 주소에 이어 연장값을 부여

 

 

저장 장치 계층 구조

Primary (Executable)

• CPU가 직접 접근하여 실행 가능 👉 바이트 접근 가능
• 빠른 Speed
• 단위 공간 당 높은 Cost 👉 용량이 적음
• 휘발성 (Volatility)

Secondary

• CPU가 직접 접근하지 못함 👉 Sector 단위로 실행
• 느린 Speed
• 단위 공간 당 낮은 Cost
• 비휘발성

Caching

• 빠른 저장 시스템으로 정보를 읽어들여 사용
• 재사용을 목적으로 하여, 용량이 모두 찼을 때 새로운 내용이 들어오면 기존의 내용을 메모리에서 쫓아내고 새로운 내용을 저장함

 

 

프로그램의 실행 (메모리 load)

Virtual Memory

• 각 프로그램마다 독자적으로 가지고 있는 주소 공간
• 하나의 프로세스 Address는 Stack / data / code로 이루어져 있음
  • Stack : 함수를 호출 / return 할 때 data를 쌓는 영역
  • data : 프로그램을 실행하기 위한 자료구조
  • code : 기게어 코드

 

 

사용자 프로그램이 사용하는 함수

사용자 정의 함수

• 자신의 프로그램에서 정의한 함수

라이브러리 함수

• 자신의 프로그램에서 정리하지 않고 가져다 쓴 함수
• 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있음

커널 함수

• 운영체제 프로그램의 함수
• 커널 함수의 호출 = System call

 

 

프로그램의 실행

• user mode : 프로그램이 직접 CPU를 잡고 있는 상태
• kernel mode : OS가 CPU를 잡고 있는 상태
• 프로그램은 생성 후 종료까지 user mode 👉 kermel mode 👉 user mode 👉 … 를 반복
• (단, Interrupt와 같이 과정에 영향을 미치는 조건 반영 ❌ )

 

참고 강의

http://www.kocw.net/home/m/cview.do?cid=3646706b4347ef09

운영체제

본 내용은 KOCW 의 운영체제 강의를 수강한 후 정리한 내용입니다.