[운영체제](반효경) 3강. SystemStructure & Program Excution(1)

컴퓨터 시스템 구조

• CPU가 매 클럭 사이클마다 메모리에 있는 기계어(4바이트정도의 인스트럭션)를 하나씩 처리
• CPU는 프로그램 카운터가 가리키고 있는 메모리주소를 계속 읽는역할만 함
• 하드디스크는 보조기억장치면서 I/O 디바이스의 역할도 동시에 수행한다.
• 보통 CPU는 메모리랑만 이야기하지만 I/O랑 이야기할수도(이때 사용되는게 device controller)
• Mode Bit - 이 프로그램이 운영체제인지 어떤사용자프로그램인지?
• Register - 메모리보다 빠른 공간
• Interrupt line - CPU가 라인 하나를 실행할 때마다 Interrupt가 있는지를 체크
• timer - 특정 프로그램의 CPU의 독점을 막는 역할(시간이 끝나면 interrupt를 검 - CPU가 인스터럭션을 실행하다가 interrupt line을 점검해서 interrupt가 있을때)
• 사용자 프로그램이 I/O 와 직접 소통할수는 없다. 운영체제를 통해서 해야함

 

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두가지 모드의 operation 지원
  • 1 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행
  • 0 모니터 모드: OS 코드 수행
    • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터모드에서만 수행 가능한 ‘특권명령'으로 규정 → Instruction set을 나눠놓았다?
    • Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
    • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

 

Timer

• 사용자 프로그램에게 CPU 제어권을 넘긴 후, 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 sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨

→ 타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

 

Device Controller

• 메인 메모리는 CPU만 접근하고 / 디바이스 컨트롤러는 로컬 버퍼만 접근
• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐(CPU가 일을 명령하기 위해)
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register) (메모리의 데이터를 버퍼에 담은다음에 화면에 출력하거나 저장)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

비교해봅시다.

• device driver (장치 구동기)
  • 하드웨어에 접근하기 위해 설치해야함 
  • 실제 디바이스가 실행하는 인스트럭션인 펌웨어 와는 구분되어야함
  • OS코드 중 각 장치별 처리루틴 → software
  • 하드웨어에 접근하기 위해 설치해야함
• device controller(장치 제어기)
  • 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → hardware

 

DMA(direct memory access)

• 메인 메모리에 직접 접근할수 있음
• 동시에 CPU와 메모리에 접근할때를 조율하기 위해서 memory controller
• 목적: I/O가 너무 많은 intrrupt를 발생시킬 수 있기에 중간중간 발생하는 Local buffer의 내용을 복사해서 한번에 메모리에 올려서 CPU로 알려줌

 

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
    • 프로그램이 직접 소프트웨어적으로 인터럽트(트랩)를 요청 → 운영체제로 제어권 넘어감
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정위치로 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

 

Interrupt

• 인터럽트
  • 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter를 Save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에게 넘긴다.
  • CPU는 매 클럭마다 인터럽트 들어온게 있는지를 확인함
• 광의의 인터럽트
  • (협의의)Interrupt : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트(타이머, I/O 컨트롤러)
  • Trap(소프트웨어 인터럽트)
    • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • System Call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 관련 용어
  • 벡터(인터럽트 처리루틴의 주소를 갖고 있음) → 인터럽트 처리 루틴 → 인터럽트 처리
  • 인터럽트 벡터
    • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
    • 각 인터럽트에 해당되는 작업을 어느 커널함수에서 해야하는지를 나타내는 테이블 같은 개념
  • 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
    • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

 

System Call

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것(Trap)

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