운영체제 - 02

강의

http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1226304

운영체제 - 컴퓨터시스템의 구조

1. 컴퓨터 시스템의 구조

1.1. Mode bit

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

• 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

  1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행

  0 모니터 모드 : OS 코드 수행 (ex: 커널모드, 시스템 모드)

• 보안에 위협이 되는 명령어는 모니터 모드에서만 수행가능 한 특권 명령 으로 규정
• 인터럽트나 예외 발생 시 하드웨어가 모드 비트를 0으로 바꿈.
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 1로 바꿈

1.2. Registers PC

• 다음에 실행할 프로그램이 있는 메모리의 주소를 가지고 있는 저장 공간

1.3. Timer

• 일정 시간마다 인터럽트를 발생 시킴
• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
• Time sharing을 구현하기 위해 이용
• 현재 시간을 계산하기 위해서도 이용

1.4. 인터럽트

• Trap(소프트웨어 인터럽트) : ex) 시스템 콜, exception
• Interrupt(하드웨어 인터럽트) : ex) 타이머, 입력장치

1.4.1인터럽트 백터

• 인터럽트 발생 시 처리해아할 코드가 어디 있는지 주소를 가지고 있는 것

1.4.2인터럽트 처리 루틴

• 인터럽트 백터가 있는 해당 코드를 말함

1.5. Device Controller

• CPU는 하드웨어. 그러니까 이것도 하드웨어
• 여기 안에도 소프트웨어가 있음. (Device driver).
• CPU에 입력을 요청 & CPU의 출력 요청을 처리 (I/O에 전반적인 처리를 관리)

1.6. 시스템콜

• 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는것
• 그러니까 CPU가 I/O에 직접 접근을 못함
• 그런데 어떤 사용자 프로그램이 CPU를 사용 도중 DISK에 있는 파일 시스템을 읽어들이고 싶어함
• 이를 특권명령(사용자 프로그램은 DISK에 직접 접근이 불가능)이라고 함.
• 그래서 운영체제(모든 권한을 가지고 있음)한테 부탁해야 함.
• 그래서 사용자 프로그램이 직접 인터럽트를 걸어서 운영체제에게 CPU 사용권을 넘김
• 이것을 시스템 콜이라고 한다.

2. 동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 사실 동기식, 비동기식이라는 한국말이 없음. 억지로 번역한 것
• 영어는 Synchronous, asynchronous라는 단어가 있음. 그래서 그 느낌을 알아함.
• 예를 들어서 싱크로나이즈 수영?, 립싱크 같은 걸 떠올리면 됨.
• I/O 동기화, 프로세스의 동기화 이럴 경우 조금 다르지만 큰 의미는 같음

• 예를 들어 시스템콜이 생겼다고 가정하자
• A란 프로그램은 시스템 콜을 이후 CPU는 파일을 읽는 동안 가만히 대기를 한다. 파일이 넘어오면 다시 수행 이를 동기식
• 반대로 시스템콜 이후 파일 읽는 동안 CPU는 다른 프로그램을 가지고 일을 한다. 비동기식
• 쉽게 말하면 I/O 작업이 끝날때까지 기다리냐? 안기다리냐? 기다리면 동기식, 기다리지 않으면 비동기식

3. DMA(Direct Memory Access)

• 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
• device 컨트롤러가 CPU와 인터럽트를 통해 매번 메인 메모리에 디바이스에 읽은 내용을 올림
• 근데 이게 너무 비효율적. 그래서 직접 CPU에 올리기 위해서 사용

프로그램의 전체적인 실행

1. 프로그램의 실행(메모리 load)

• 파일 시스템에 있는 프로그램들이 실제 실행하기 위해서 물리적 메모리에 올라가야 하는데

• 파일 시스템에 존재하는 프로그램의 가상 메모리의 주소와 실제 실행되는 물리적 메모리 주소는 다르다.

• 이를 변환 시키기 위해 address translation이 필요하다.

• 가상 메모리에 있는 프로세스들의 stack은 해당 프로세스가 실행할될 때 필요한 함수들을 호출하면 함수들의 주소를 쌓는 공간을 말한다. 또한 지역변수도 여기에 쌓임

• data는 말 그대로 data 영역. 전역변수 영역

• code는 함수들이 컴파일되어 기계어로 바뀌어 위치되는 영역
• 운영체제의 물리적 메모리도 똑같이 stack, data, code 영역으로 구성되어 있음

2. 커널 주소 공간의 내용

• 운영체제는 I/O와 프로세스들에 대한 자원 관리를 해야하므로 각각에 대하여 메모리와 자료구조를 가지고 있음
• 커널의 stack은 프로세스가 실행되다가 운영체제한테 어떤 일에 대하여 요청. 그럼 운영체제는 stack에 이전 실행되었던 프로세스를 담아두고 운영체제가 CPU 사용하다가 stack을 보고 필요한 프로세스에 다시 권한을 넘겨줌.

3. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

3.1 사용자 정의 함수 (프로세스 Address의 Code 영역)

• 자신의 프로그램에서 정의한 함수

3.2 라이브러리 함수 (프로세스 Address의 Code 영역)

• 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
• 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다.

3.3 커널 함수 (커널 Address의 Code 영역)

• 운영체제 프로그램의 함수
• 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

즉, 커널 함수는 CPU의 제어권을 넘겨야하고 위의 두개는 자신의 함수를 사용한다.

• 예시