[운영체제] System Structure & Program Excutiuon (시스템 구조 & 프로그램 실행) - 1 (컴퓨터 시스템 구조, 인터럽트, 시스템 콜, 동기식 입출력, 비동기식 입출력, DMA)
컴퓨터 시스템 구조
- 메모리는 CPU의 작업 공간
- device controller: I/O device 를 담당하는 작은 CPU라고 생각
- device controller의 작업공간 = local beffer
- CPU 는 메모리에서 instruction 을 읽고 실행한다.
- CPU 안에는 메모리보다 더 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 작은 공간이 있다 = registers
- mode bit: CPU 에서 실행되는 것이 운영 체제인지, 사용자 프로그램인지 구분해 주는 것
- CPU는 기본적으로 메모리의 instruction 을 실행한다. 순차적으로 실행하는 중에, 키보드 입력이 발생하거나 디스크를 읽을 일이 필요거나 화면 출력이 필요하면 device controller 한테 해당 일을 시킨다
- timer(하드웨어): 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 방지/ 일정 시간 이상 하나의 프로그램이 CPU 사용 하고 있으면 timer 가 CPU 에 interrupt를 발생시킨다. CPU는 하나의 instruction이 끝날 때마다 interrupt line을 체크한다. interrupt 가 없으면 다음 instruction을 실행한다. timer에 의해 interrupt 발생을 알게되면 CPU 제어권은 OS로 넘어간다.
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
- 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 '특권명령' 으로 규정
- Interrupt나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
- 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅
1 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행
0 모니터 모드(=커널 모드): OS 코드 수행
*모니터 모드 = 커널 모드 = 시스템 모드
- mode bit 이 1일 때(사용자 모드 일때)는 한정된 instruction 만 실행할 수 있고, mode bit이 0일 때는 모든 instruction 을 실행할 수 있다.
- interrupt 가 발생하면 자동으로 mode bit이 0으로 바뀌고 CPU 제어권이 OS로 넘어간다.
Timer
- 타이머
- 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
1) I/O 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)
2) I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
3) Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
- Device Driver(장치구동기): OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> software
- Device controller(장치제어기): 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware
- 데이터 자체는 local bueffer에 담고, 데이터를 어떻게 하라는 명령은 제어 레지스터를 통해 실행
- CPU는 local beffer에도 접근 할 수 있지만, 작은 CPU(device controller)는 local buffer만 접근할 수 있다.
- memory controller: CPU와 DMA controller 가 메모리에 동시에 접근하지 못 하도록 한다. (교통 정리 역할)
입출력(I/O)의 수행
- 모든 입출력 명령은 특권 명령
- 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
- 시스템콜(System Call): 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청 (운영체제에게 부탁한다고 생각)
- trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
- 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
- 올바른 I/O 요청인 지 확인 후 I/O 수행
- I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김
인터럽트(Interrupt)
1) 인터럽트
- 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다
2) Interrupt(넓은 의미)
- Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
- Trap(소프트웨어 인터럽트)
- Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
- System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
3) 인터럽트 관련 용어
- 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음(인터럽트 종류마다 어떤 함수를 실행해야 하는 지, 함수의 위치를 가지고 있다고 생각)
- 인터럽트 처리 루틴(=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수 (인터럽트 처리하는 부분, 실제로 해야하는 일)
- 일반적인 Interrupt = 하드웨어가 거는 인터럽트 (Timer 가 거는 인터럽트, I/O 가 거는 인터럽트)
- 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨
시스템콜(System Call)
- 시스템콜: 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
동기식 입출력과 비동기식 입출력
1) 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
- 매시점 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
2) 비동기식 입출력(asynchronous I/O)
- I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌
DMA(Direct Memory Access)
- DMA(Direct Memory Access)
- 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
- CPU의 중재 없이 device controller 가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
- 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴
- DMA로 인해 CPU 에 인터럽트가 발생하는 빈도가 감소한다
서로 다른 입출력 명령어
1) I/O를 수행하는 special instruction에 의해 (일반적인 I/O)
2) Memory Mapped I/O에 의해
참고 강의:
http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323
운영체제
운영체제는 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되는 소프트웨어 계층으로서 모든 컴퓨터 시스템의 필수적인 부분이다. 본 강좌에서는 이와 같은 운영체제의 개념과 역할, 운영체제를 구성하는 각
www.kocw.net
이화여자대학교 반효경 교수님의 운영체제 강의