[운영체제] System Structure

컴퓨터 시스템 구조

CPU

• 레지스터
  • CPU는 프로그램 카운터(수행해야 할 메모리 주소를 담고 있는 레지스터)가 가리키는 메모리 영역의 명령을 처리하게 된다.
• 인터럽트 라인
  • 인터럽트를 발생시키기 위해 주변 장치는 인터럽트 라인을 세팅하고 CPU는 매번 명령을 수행한 후 인터럽트 라인을 체크해 서비스 요청이 있는지 확인한다.

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 절차
• 모드빗이 0일때 (모니터 모드 = 커널 모드 = 시스템 모드)
  • 운영체제가 cpu에서 실행 중
  • 무슨일인지 다 할수있음
    • 메모리 접근
    • i/o device 접근
• 모드빗이 1일 때 (사용자 모드)
  • 사용자 프로그램이 cpu갖고있음
  • 보안을 위해 제한된(한정된) instruction만 실행할 수 있음
• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권 명령으로 규정
• Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit → 0 변경
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit → 1 셋팅Mode bit

메모리

• CPU의 작업 공간

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 인터럽트 발생시킴
• 인터럽트를 자주 걸면 문제가 생기니 DMA(=Controller)가 직접 동작

타이머

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트 발생 ⇒ 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막기 위함
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용
• 사용자 프로그램이 CPU를 계속 사용하면 CPU를 뺏어올 방법이 없기 때문에 타이머를 사용하여 넘겨줌

Disk

• 디바이스 컨트롤러가 담당

I/O device

• Device controller가 각각 I/O 디바이스에 붙어 전담하는 CPU 역할을 함
• 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 알림Device controller
• 💡device driver : OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 → software
• 💡device controller : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → hardware

I/O 의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램이 I/O를 하는 방법
  • 시스템콜(System call)
    • 사용자 프로그램이 운영체제에게 I/O 요청
  • CPU가 인터럽트가 들어온지 확인
  • 프로그램이 인터럽트를 사용해 모드빗이 0으로 바뀌고 운영체제에 해당하는 주소로 넘어감
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O를 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김
• 인터럽트
  • 현대 운영체제는 인터럽트에 의해 구동
  • 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
  • I/O를 하기 위해서 소프트웨어 인터럽트(트랩)를 통해 요청하고 끝나면 하드웨어 인터럽트를 통해서 끝났다고 알림

- Interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트

- Trap (소프트웨어 인터럽트)
(1) Exception
    → 프로그램이 오류를 범한 경우
    → 인터럽트 라인이 자동으로 세팅됨
    → CPU가 운영체제에게 넘어가고 익셉션 상황에서는 보통 강제 종료로 대응
(2) System call
    → 사용자 프로그램이 OS의 서비스를 받기 위해 OS에 요청해 커널 함수를 호출하는 경우
    → 컴퓨터를 호스트라고 부르기도 함

- 인터럽트 벡터
    → 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
    → 처리해야하는 함수로 점프하게 해줌
- 인터럽트 처리 루틴
    → 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
    → 실제 해야하는 일

동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 동기식 입출력(synchronous I/O)
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
  • 구현 방법 1
    • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
    • 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
  • 구현 방법 2
    • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게 CPU를 줌
• 비동기식 입출력(asynchronous I/O)
  • I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

• Synchronous: 기다림
• Asynchronous: 안기다림
  • I/O 작업 요청만 해놓고 바로 cpu 얻어서 요청한 작업 수행

서로 다른 입출력 명령어

• by I/O를 수행하는 special instruction
  • 메모리 접근 따로 있고 I/O 따로 있음
• by Memory Mapped I/O
  • I/O 장치가 메모리 주소에 연장 주소를 붙여 사용

 

저장 장치 계층 구조

 

• 맨 위 CPU
  • CPU 안에 레지스터, 캐시 메모리 ...
• 위의 장치들은 CPU가 직접 접근 가능 (byte단위로 접근 가능)
• 디스크는 sector 단위로 접근
• 캐싱
  • 재사용 목적
  • 정보를 보다 빠른 스토리지 시스템에 복사; 메인 메모리는 second storage를 위한 캐시로 간주