[week08] KOCW 운영체제(반효경교수님) - System Structure & Program Execution 1

System Structure & Program Execution 1

컴퓨터 시스템 구조

Main Memory

• Main Memory는 CPU의 작업공간이다.

device controller & local buffer

• 각각의 I/O device들은 각각을 전담하는 device controller가 붙어있다.

• disk의 내부의 동작은 CPU의 역할이 아니라 device controller의 역할

• device를 전담하는 작은 CPU

• CPU가 자신의 작업공간인 Memory가 필요하듯이, device controller도 각각의 작업공간이 필요하다. 그것을 local buffer라고 한다.

CPU와 Disk의 성능(속도)차이는 크다.

• CPU가 Disk보다 100만배 빠름

CPU의 역할

• CPU는 매 클럭마다 memory에서 instruction을 읽어서 실행하고 그 다음 클럭에는 다음 instruction을 읽어서 실행한다.

• register중에서 PC(Program Counter) register가 다음번에 어디에 있는 instruction을 실행해야 할지 그 주소를 가지고 있다.

CPU 내부

• register
  CPU안에는 memory보다 더 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 메모리 공간들이 있다. 이 작은 저장공간을 register라고 한다.

• mode bit
  지금 CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지, 사용자 프로그램인지 구분해주는 역할을 한다.

• interrupt line
  CPU는 항상 memory의 instruction을 읽고 있는데 다른 입출력장치(I/O device)와의 소통은 어떻게 할까? interrupt line으로 한다.

  CPU가 memory의 instruction이 끝나면 interrupt line을 체크하고, interrupt line에 들어온 것이 있으면 그 interrupt를 실행한다. interrupt가 실행되면, CPU는 하던 일을 잠시 멈추고, CPU의 제어권이 OS로 넘어가게 된다. 그 후 OS는 해당하는 작업을 I/O controller에게 시킨다.

timer

• 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막음

• 처음에 운영체제가 CPU를 가지고 있다가 사용자 프로그램에게 timer를 세팅해놓고 넘겨준다. 사용자 프로그램이 무한루프를 돌더라도 할당된 시간이 끝나면 timer가 CPU에게 interrupt를 건다.

Mode bit

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

Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

• 1 - 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행

  제한된 instruction 실행 가능

  
  

• 0 - 커널 모드(시스템 모드): OS 코드 수행

  모든 instruction 실행 가능, 모든 메모리 접근가능

interrupt나 exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈

사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

Timer

타이머

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 interrupt 발생시킴




• 타이머는 매 클럭 틱마다 1씩 감소

• 타이머 0이 되면 타이머 인터럽트 발생




• CPU를 특정 프로그램이 독접하는 것으로부터 보호

타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨

타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

Device Controller

I/O device controller

• 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU

• 제어 정보를 위해 control register, status register 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(장치구동기)

• OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 → software

• 하드웨어에 접근하기 위한 software

device controller(장치제어기)

• 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → hardware

입출력(I/O)의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령(OS를 통해서만 접근가능)

사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?(disk에서 무엇을 읽어와야 할 때)

system call을 통해 운영체제의 커널에게 부탁함

• 사용자 프로그램이 운영체제에게 I/O 요청

• 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 완료 시 제어권을 system call 다음 명령(instruction)으로 옮김

인터럽트(interrupt)

인터럽트

• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

Interrupt(넓은 의미)

• Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트 - 일반적 인터럽트

• Trap(소프트웨어 인터럽트)

• exception: 프로그램이 오류를 범한 경우

• system call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

인터럽트 관련 용어

• 인터럽트 벡터

• 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음

• 인터럽트 주소(함수의 위치), 번호 쌍

• 인터럽트 처리 루틴(=interrupt service routine, 인터럽트 핸들러)

• 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

Q. I/O를 하기 위해서 필요한 interrupt는 하드웨어 인터럽트? 소프트웨어 인터럽트?

• 사용자 프로그램이 I/O를 요청할 때: software 인터럽트

• I/O에서 수행이 다 끝나고 난 뒤: hardware 인터럽트

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다.

• 인터럽트가 들어오지 않으면 사용자 프로그램이 항상 사용중