[OS] System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템구조

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Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치

• Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 Operation 지원

    1 (사용자 모드) : 사용자 프로그램 수행
  
    0 (커널 모드) : OS 코드 실행

  • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 커널 모드에서만 수행 가능한 특권명령으로 규정

  • Interrupt나 exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈

  • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

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타이머(Timer)

• 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 이용되고 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용된다.

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Device Controller

• I/O device controller

    - 해당 I/O장치 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 (장치 구동기)
: OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> Software

Device Controller (장치 제어기)
: 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> Hardware

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입출력(I/O)의 수행

- 모든 입출력 명령은 특권 명령

- 사용자 프로그램은 어떻게 I/O 하는가?

• 시스템 콜(System Call)
  : 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 하는 것

• 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 완료시 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김

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Interrupt(인터럽트)

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 저장한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다

• Interrupt(넓은 의미)

  • Interrupt(하드웨어 인터럽트)
    : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트

  • Trap(소프트웨어 인터럽트)

      - Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
    
      - System Call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우 

• 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨

인터럽트 벡터
: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음

인터럽트 처리 루틴 (=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
: 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

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동기식 입출력과 비동기식 입출력

동기식 입출력(Synchronous I/O)

• I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에 제어가 사용자 프로그램에 넘어감

• 구현방법 1

  • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴

  • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음

• 구현방법 2

  • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음

  • I/O처리를 기다리는 중에 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

*두 경우 모두 I/O완료는 인터럽트로 알려줌

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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 인터럽트를 발생시킴

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저장 장치 계층 구조

• Primary
  : CPU가 직접 접근하여 처리가능, 휘발성, 바이트 단위 접근 가능

• Secondary
  : CPU가 직접 처리 X, 비휘발성, 섹터 단위 접근

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프로그램의 실행(메모리 load)

커널 주소 공간(Kernel Address Space)

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사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 사용자 정의 함수(User Defined Function)
  : 자신의 프로그램에서 정의한 함수

• 라이브러리 함수(Library Function)
  : 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 가져다 쓰는 함수, 실행 파일에 포함됨

• 커널 함수(Kernel Function)
  : 운영체제 프로그램의 함수, 커널 함수의 호출 = System Call

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프로그램의 실행

프로그램 시작 -> 유저모드와 커널모드를 반복하며 실행 -> 프로그램이 끝