운영체제 1강

반효경 교수님의 운영체제 강의를 정리하는 포스팅
System Structure & Program Execution 1

📌 컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 시스템의 구조는 아래와 같다.

이미지 출처 - https://asfirstalways.tistory.com/115

컴퓨터 시스템에는 크게 중앙 처리장치인 CPU, 메모리, 그리고 외부 장치들인 디스크, 키보드 등등
으로 구분된다.
컴퓨터는 외부에서부터 데이터를 읽어와 연산을 한 후에 다시 출력해주는 방식으로 처리한다.

📌 CPU

CPU는 Memory에 올라간 프로그램들의 명령들을 하나하나 읽어들여 수행하는 역할을 담당한다.

I/O마저도 이 CPU가 관리하게 되면, 너무나도 많은 인터럽트가 발생하게 된다.

이런 경우에는 CPU가 효율적이지 못하다고 할 수 있다. (오버헤드가 너무 큼)
그래서 이것을 방지하게 나오는 것이 바로 DMA(Direct Memory Access) Controller를 사용한다.

접근 범위

CPU가 접근 가능한 곳은 메모리와 Local Buffer이다.

Interrupt Line

CPU는 자기가 처리하던 연산 중간에 인터럽트가 발생하게 되면, 하던일을 두고
인터럽트에 관련된 업무를 먼저 처리한다.

Mode Bit

운영체제에는 두가지의 모드가 존재하는데,

1. 유저모드
2. 커널모드

두가지 모드가 존재하는 이유는, I/O장치들을 보호하기 위해서이다.
모든걸 조작해서 악의적인 프로그램을 만들어서 I/O 장치에 접근할 수 없게하고, 운영체제를 통해서만
I/O를 수행할 수 있게 하는것.

• 유저모드
  • 어플리케이션이 실행되는 영역
• 커널모드
  • 프로그램들이 잘 수행되다가 인터럽트가 발생되어 운영체제가 호출되어 수행되는 영역

프로세스가 사용자 모드에서 작업을 수행하다 중요한 작업을 수행해야 할 경우에는 System Call(소프트웨어 인터럽트)을 통해 운영체제에게 서비스를 대신해 줄 것을 요청하게 된다.
그러면 CPU의 제어권은 다시 운영체제로 넘어가게 되고 인터럽트가 발생할 때에는 모드 비트가 자동적으로 0(커널모드)으로 세팅되어 필요한 작업을 수행하고 요청된 작업이 끝나게 되면 모드 비트는 다시 1(유저모드)로 만들어 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨주게 된다.

📌 DMA (Direct Memory Access) Controller

DMA 컨트롤러는 Local Buffer에 저장된 데이터들을 메모리로 복사하는 작업이 완료 되면,
그때만 CPU에게 인터럽트를 발생시킨다.

📌 Memory Controller

메모리 컨트롤러는 현재 위의 구조대로면, CPU와 DMA 컨트롤러가 서로 메모리에 접근이 가능하다.

그래서 만약 CPU, DMA가 동시에 접근하는 경우 데이터의 일관성이 깨질 수 있기 때문에

서로의 사용을 분배해주는게 바로 이 메모리 컨트롤러이다.

📌 Device Controller

이 컨트롤러는 해당 I/O를 관리하는 작은 CPU개념이다.
제어 정보를 위해 control, status register를 가진다.
Local Buffer(실제 데이터 저장)를 가진다.
I/O는 Device와 Local Buffer 사이에서 일어난다.
I/O가 끝난 경우에는 CPU에게 인터럽트로 알리게 된다. (DMA가 존재하면 DMA Controller)

Local Buffer

디바이스 컨트롤러가 데이터를 임시로 저장하기 위한 작업 공간.

Device Driver도 있는데 이는 CPU가 실행하는 각 디바이스들에 접근하기 위한 소프트웨어이다.

📌 Timer

무한 루프문을 돌게되는 어떤 프로그램만 CPU를 독점하는 상황이 생길 수 있다.
이럴 때를 대비해서 만든 것이 바로 타이머이다.
타이머는 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막아주는 역할을 수행한다.
컴퓨터를 처음 시작하면 운영 체제가 CPU를 가지고 있다가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨준다.
이 때, 그냥 넘겨 주지 않고 타이머 값을 설정하고 넘겨준다.
어떤 프로그램이 설정된 Timer의 값이 0이 되었을 때 타이머 인터럽트가 발생하여 다른 프로그램에게 CPU를 넘겨준다.

📌 Interrupt

CPU가 한개의 작업밖에 수행할 수 없는데,
하나의 작업을 수행중에 I/O가 발생하거나, 다른 우선 순위가 급한일이 생기게 되면 이 인터럽트가 발생된다.
키보드에서 'a'라는 키를 누르게 되면, 이 키의 코드값이 Local Buffer에 저장되고 인터럽트가 발생해서
처리하고 있던 작업을 인터럽트가 발생하기 직전까지의 정보를 저장(여기가 바로 PCB) 하는 인터럽트 처리 루틴을 수행한다.
인터럽트는 소프트웨어, 하드웨어 인터럽트 2개가 존재한다.

소프트웨어 인터럽트

돌다가 운영체제에게 대신 해달라고 요청할 경우 인터럽트를 발생시킬 수 있음
종류 - 예외 상황, System Call

하드웨어 인터럽트

하드웨어가 발생시키는 인터럽트로, CPU가 아닌 다른 하드웨어 장치가 cpu에 어떤 사실을 알려주거나 cpu 서비스를 요청해야 할 경우 발생시킨다.
ex - I/O완료 인터럽트 발생 (하드웨어 인터럽트)

인터럽트 벡터

인터럽트 처리 루틴 주소를 알고 있다. 종류마다 그 인터럽트가 발생하면 어디있는 함수를 실행하는지

인터럽트 처리 루틴

인터럽트 처리 루틴을 통해 해당하는 인터럽트 처리를 완료하고 나면 원래 수행하던 작업으로 돌아갈 위치를 알아야 하고,
인터럽트 처리 전에 수행 중이던 작업이 무엇이었는지 반드시 저장해야 한다.
그래서 운영 체제는 PCB라는 공간을 별도로 가지고 있다.

📌 System call

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출
모든 입출력 명령은 운영 체제만 사용할 수 있는 특권 명령으로만 가능하다. 그래서 사용자 프로그램은 이 시스템 콜을 활용한다.