System Structure & Program Execution
전체적인 흐름
CPU가 controller한테 input 요청함 → 기다리는동안 다른 프로그램에게 CPU제어권 넘겨서 다른거 실행중 → I/O controller가 CPU한테 intrrupt를 걸음 → CPU 제어권이 다시 운영체제한테 넘어감→ 입력받은 값을 아까 입력 요청한 프로그램 메모리 공간에 copy함 → 실행하던 프로그램 마저 실행하게 cpu제어권 줌
CPU
- 클럭마다 메모리에서 명령을 하나씩 읽어와서 실행함
- I/O 가 일어나면 직접 접근하지 않고 Device Controller 에게 시킴
→ 왜 why? cpu에 비해서 디바이스 속도가 너무 느려서 - 메인 메모리와 local buffer에 접근 가능
memeory
- cpu가 직접 접근 할 수 있는 내부 기억 장치
- 특정 프로그램이 cpu에서 실행되려면 해당부분이 메모리에 올라가 있어야함
mode bit
: CPU의 제어권이 운영체제 에 있는지 사용자 프로그램에 있는지 알려줌
사용자 프로그램의 나쁜짓으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가지 않게 하기 위해서
- 1
사용자 모드- 사용자 프로그램- 메모리, I/O device 등의 대한 접근 제한됨
- 0
커널 모드- 운영체제
타이머
- 정해진 시간 동안 제어권을 갖도록 설정
→ CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것을 막기 위해 - 타이머 값이 0이 되면 타이머 interrupt 발생
device controller
- I/O 장치를 관리하는 일종의 작은 CPU
- 제어정보를 위한 control register, status register 가짐
- 작업공간인 local buffer 가짐
device driver: device를 제어하는 역활을 하는 프로그램 → softwaredevice controller: 일종의 작은 CPU → hardware
DMA(direct memory access)
- memery에 대한 접근을 cpu만 할 수 있음
→ 매 interrupt마다 cpu는 하던 일 멈추고 memory 접근해서 I/O 데이터를 쓰니까 비효율적
⇒ 메모리에 접근 할 수 있는 DMA을 둠
- I/O 발생하면 DMA가 memory에 기록함
- I/O 가 어느정도 쌓여서 일정 크기(block)을 넘어가면 dma가 cpu한테 이런 일 있었다고 일러바침(interrupt)
- memory controller는 dma와 cpu 동시에 메모리 접근하는 것을 방지함
입출력의 수행
- 모든 입출력 명령은
특권명령 - 사용자 프로그램 어떻게 I/O 함?
- 시스템콜 : 사용자프로그램이 운영체제 커널을 호출하는 걸 말함
일반적인 함수 호출이랑 다름 ( 사용자모드 권한 문제) → 사용자 프로그램이 interrupt 발생시킴 → 운영체제야 해줘! - I/O 올바른요청인지 확인
- OS가 I/O controller에게 요청
- 제어권이 다른 프로그램 넘어갔다가 I/O 받으면 interrupt(hardware) 발생
- 시스템콜 : 사용자프로그램이 운영체제 커널을 호출하는 걸 말함
interrupt
CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력이나 예외상황 등의 처리가 필요한 경우 CPU에게 알리는 이벤트
- interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
- trap (소프트웨어 인터럽트)
- exception : 프로그램 오류
- system call : 프로그램이 커널 함수 호출
- 관련용어
인터럽트 벡터: 인터럽트 종류 마다 어디있는 함수를 실행해야하는지 정의해놓은 거인터럽트 처리 루틴: 인터럽트 별로 어떤 일을 해야하는 지 적혀있는 함수
pc register
-
cpu가 pc(programcounter register)에서 instruction 주소를 가져와서 실행함.
-
pc + 4 해서 다음 명령어 가르킴
-
다음 instruction을 실행하기 전에 interrupt 들어왔는지 확인
-
지금 헷갈리는 것
64bit 시스템에서는 pc 값이 8씩 증가했었나?
risc 시스템 말고 cisc 시스템에서는 +4 증가시키는 건가 아닌가 헷갈림
동기식 입출력과 비동기식 입출력
- 돟기식 입출력
- I/O 요청 후에 입출력 기다린 다음에 하던 일 이어함
- read 해서 data를 사용해야할 때 주로 사용?
- 방법1. 그냥 I/O 기다림
- CPU 리소스 낭비
- 매순간 하나의 I/O만 사용하는 거니까 I/O 리소스도 낭비
- 방법2. 기다리는 동안 다른 프로그램 실행
- 기다리는 동안 다른 프로그램 실행
- 비동기식 입출력
- I/O 요청 후에 입출력 기다리지 않고 입출력과 무관한 일을 처리
- read 해오는 data와 관련없는 일을 처리하거나, write 일 때 주로 사용
- 두 가지 모두 interrupt를 통해서 I/O의 완료를 알림
서로 다른 입출력 명령어
일반 적인 I/O 방식과, memory mapped I/O 방식이 있음
- memory mapped : I/O device에도 메모리 주소에 연장 주소 붙여서 주소로 접근가능
저장장치 계층 구조
- primary storage
- cpu 에서 직접 접근 가능한 저장장치 ( executable 라고 함 )
- 휘발성
- secondary storage
- 섹터 단위로 읽기 때문에 cpu가 직접 접근 못함
- 비휘발성
- 속도와 가격, 용량에서의 trade off 관계를 가짐
caching: 하위 계층에서 필요한 정보들을 상위계층에 저장해서 재사용하는 방법을 말함
프로그램의 실행
physical memory: memory 계층을 말하며, os가 실행되면 커널이 가장 먼저 physical memory 최하단에 할당virtual memory: 프로세서 마다 할당 받는 가상적인 공간- 각 프로그램 마다 0번으로 시작하는 주소공간을 할당받음
- virtual address는 physical address로 변환되는 과정을 거침
- 프로세스의 일부분은 memory에 일부분은 swap area에 위치한다.
swap area는 storage를 메모리의 연장공간 처럼 사용하는 곳- 휘발성을 가짐
file system은 storage에 실행파일들을 담아두는- code : cpu 에서 실행할 기계어 코드 저장
- data : 전역 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터 저장
- main함수 전에 선언되어 프로그램의 시작과 동시에 할당되고 프로그램이 종료되어야 메모리에서 소멸됨
- stack :
- 함수로 호출될 때, 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시 저장
- 지역 변수들도 저장
커널 주소 공간의 내용
- code
- os 관련된 코드들
- data
- 각종 자원을 관리하기 위한 자료구조들이 저장
- cpu나 메모리 같은 하드웨어 자원, 프로세스 관리하기 위한 자료구조들
- PCB : 각 프로그램을 관리하기 위한 자료구조
- stack
- 프로그램 스택 영역과 마찬가지로 함수 호출시의 복귀 주소 및 데이터 저장
- 현재 수행중인 프로세스 마다 별도의 스택을 두어 관리
💡 시스템 콜이나, 인터럼트 등으로 os↔️프로그램 과정에서 각 프로그램으로 복귀할 주소 및 데이터를 저장하기 위해
사용자 프로그램이 사용하는 함수
- 사용자 정의 함수
- 직접 정의한 함수
- 라이브러리 함수
- 직접 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
- 커널 함수
- 운영체제의 프로그램 함수
- 운영체제의 프로그램 함수
- 커널 함수로의 호출은 커널 주소 공간으로의 jump가 해야하는데 이게 불가능함
→ 시스템콜을 통해서 커널 함수를 실행함
프로그램 실행
퀴즈
- Q. CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것을 막기 위한 하드웨어 장치
타이머 - Q. 사용자 프로그램은 사용자의 입출력을 위해서 I/O device에 직접 접근할 수 있다.(O/X)
X. 사용자 모드에서는 접근이 제한되어 시스템 콜을 통한 우회 - Q. 프로그램에서 사용자로부터 입력을 받아올 때, softwafe interrupt만 발생한다(O/X)
X. 프로그램이 시스템콜(softwafe intterupt)를 발생시키고, I/O 장치가 입력을 받은 뒤에 cpu에 hardware interrupt를 발생시킴