[운영체제] 시스템 구조 & 프로그램 실행

notion-015

01. 컴퓨터 시스템 구조

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CPU
- 중앙 처리 장치(Central processing unit)
- 컴퓨터 시스템을 통제하고, 프로그램의 연산을 실행하고 처리하는 컴퓨터 시스템의 핵심 장치
- 산술 논리 장치(ALU) : 연산 수행
- 컨트롤 장치(CU) : 제어 명령 전달
- Register : 결과 값을 일시적으로 기억하는 장치
Memory
- 주 기억 장치
- 용량이 매우 작은 CPU의 Register을 대신해, 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어 들여 이용할 수 있는 장치
- 컴퓨터가 켜지면 운영체제, 사용자 프로그램들이 해당 Memory에 올라가게 되고 → CPU는 Memory에서 프로그램들의 명령어를 읽어와 작업 수행
- ROM, RAM 등
I/O Device
- 입 출력 장치
- 사용자가 원하는 문자나 그림의 데이터를 컴퓨터로 전달하거나 출력하는 장치
- 입력장치 : 키보드, 마우스 등
- 출력장치 : 모니터, 프린터 등

01-1. 컴퓨터 시스템 흐름

컴퓨터의 전원이 들어오면, 메인 메모리에 운영체제가 올라간다. (부트로더)
→ 시스템이 돌아가기 위한 핵심적인 부분 먼저 올라감 (커널)
→ 모든 코드가 올라가게 되면 자원 낭비가 심하다.
CPU는 운영체제의 프로그램들을 읽어 운영체제를 실행
다른 프로그램 실행
→ 마찬가지로 메인 메모리에 코드가 올라가게 된다.
→ 이때, CPU는 메인 메모리의 명령어 주소를 레지스터(PC 레지스터)에 저장
각 프로그램들이 I/O 디바이스 사용이 필요할 경우
→ 운영체제에게 요청 (시스템 콜)
→ 프로그램들이 직접 I/O 디바이스를 제어하지 않는 이유는 보안 때문의 이유가 가장 크다.
프로그램들의 요청을 받은 운영체제는 I/O 디바이스의 컨트롤러에게 데이터 입출력 처리 요청
해당 컨트롤러들은 입출력을 받게 되면 Interrupt를 발생시켜 CPU에게 작업이 완료되었다고 알림.
CPU는 I/O 디바이스의 버퍼에 가서 데이터를 읽어와 메인 메모리에 올림

01-2. CPU와 I/O 연산

컴퓨터에 대한 연산은? CPU 가 처리
I/O 디바이스들에 대한 연산은? 각각의 디바이스 컨트롤러들이 처리 → CPU 에게 인터럽트를 발생시켜 보고하는 형식으로 처리
각각의 컨트롤러로부터 입,출력되는 데이터들은? 로컬 버퍼에서 관리

01-2-1. Device Controller

각각의 디바이스들을 I/O 연산, 제어관리를 하는 역할
각각의 디바이스들의 CPU 역할
Device Driver : 운영체제가 각각의 디바이스를 접근하게 하기 위한 인터페이스 역할을 하는 소프트웨어
펌웨어 : 디바이스가 동작하기 위한 소프트웨어

01-2-2. Buffer

각각의 디바이스 컨트롤러들이 명령을 내려 디바이스의 데이터를 읽어오거나 출력할 때 데이터를 저장하는 공간
각각의 디바이스들의 램(메인 메모리) 역할

02. Interrupt

I/O 디바이스들이 데이터를 입력할때까지 CPU가 기다리는 것이 아닌, 자신의 일을 계속 처리하고 있게 된다.
이때 I/O 디바이스들에게 입,출력이 이루어지면 각각의 디바이스 컨트롤러가 인터럽트(일련의 신호)를 발생시켜 CPU에게 알려준다.

인터럽트 왜 할까요? >
입출력 연산이 CPU 명령 수행속도보다 현저히 느리기 때문.
→ CPU는 입출력 처리를 기다리며 다른 일을 한다.
→ 따라서 I/O 컨트롤러가 작업을 마칠 경우 CPU에게 직접 알려줘 처리가 필요함을 알리게 된다.

기본적으로 운영체제에는 인터럽트가 발생했을 때 각각의 인터럽트에 대한 처리가 운영체제 안에 코드로 작성되어 저장되어 있음.
인터럽트 처리 루틴 : 다양한 인터럽트에 대한 각각의 처리해야 할 업무들을 정의해놓은 것

02-1. 용어 정리

인터럽트 백터
→ 인터럽트 종류마다 번호를 정해서, 번호에 따라 처리해야 할 코드가 위치한 부분을 포인터로 가리키고 있는 자료 구조
시스템 콜
→ 응용 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널함수를 호출하는 것.
영역
- 스택 영역 : 실행중인 함수에서 다른 함수를 호출한 경우, 호출된 함수의 종료 후 원래 실행 함수로 돌아오기 위해 복귀 주소 저장하는 위치
- 데이터 영역 : 전역변수 등 프로그램이 사용하는 각종 데이터가 저장되는 공간
- 코드 영역 : 프로그래머가 작성한 코드가 기계어 명령 형태로 저장되는 영역
PCB
→ 프로세스 제어 블록 (Process Control Block)
→ 현재 시스템 내에서 수행되는 프로그램들을 관리하기 위한 자료구조
→ 인터럽트가 발생했을 때, 어느부분이 수행되던 중이었는지 저장하는 자료구조로 사용하기도 한다.

03. 입출력 구조

03-1. 동기식 입출력 (Synchronous I/O)

I/O 요청 후 입출력 작업이 완료 된 후에야 CPU의 제어권이 사용자 프로그램에게 다시 넘어갈 수 있는 방식

입출력 연산이 끝날 때 까지 CPU는 아무 일도 수행할 수 없다.
일반적으로 프로그램이 입출력을 수행중인 경우, CPU를 다른 프로그램에게 이양해 쉬지 않고 일할 수 있도록 관리한다.
→ 그 입출력을 요청했던 사용자 프로그램은 “봉쇄 상태(Blocked State)”로 전환한다.
→ 봉쇄 상태의 프로그램은 CPU를 할당하더라도 명령 수행을 못한다.

문제 발생 가능

입출력이 수행중일 때, 다른 프로그램에게 CPU를 양도하게 되므로 다수의 입출력 연산이 동시에 요청되거나 처리될 수 있다.
A, B 프로그램이 동시에 하나의 파일에 접근하려 한다.
→ 개발자는 A라는 프로그램이 먼저 파일을 수정할 것을 예상하고 개발했지만 컨트롤러는 이것의 순서를 보장하지 않는다.

이를 해결하기 위해서는 I/O 장치 별도로 큐(FIFO)를 두어 요청한 순서대로 처리할 수 있도록 한다.

구현 방법 1

I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킨다.
매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있도록 한다.

구현 방법 2

I/O가 완료될 때 까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗는다.
I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄세운다
다른 프로그램에게 CPU를 준다.

03-2. 비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)

I/O 요청 후 연산이 끝나기를 기다리는 동기식 입출력과 달리, CPU의 제어권을 입출력 연산을 호출한 사용자 프로그램에게 곧바로 다시 부여하는 방식.

입출력 결과에 상관없이 수행할 수 있는 일들을 먼저 처리하고, 입출력의 결과가 필요한 프로그램들은 입출력이 완료된 후에 작업 수행

03-3. 동기식 입출력과 비동기식 입출력

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동기식 입출력은 응답이 돌아올 때 까지 입출력을 요청한 프로그램은 봉쇄 상태가 되고, 인터럽트가 발생 해야 봉쇄 상태가 풀리고 CPU를 할당받을 수 있는 상태가 된다.
비동기식 입출력은 입출력을 요청한 프로세스에게 바로 주어지며, 입출력 연산이 완료되는 것과 무관하게 처리 가능한 작업부터 처리한다. 처리가 완료되었음은 동기식과 동일하게 인터럽트로 CPU에게 알려준다.

예시

프로그램 A가 실행중에 디스크에서 데이터를 읽어오는 명령을 만나게 된다 → 시스템 콜 발생
CPU는 지금까지 프로그램 A의 작업을 멈추고 현재 수행상태 저장 후, 인터럽트에 의해 처리 되어야 할 커널 루틴으로 이동
처리 루틴으로 이동하게 되면 CPU는 디바이스 컨트롤러에게 입출력 연산 요청
디바이스 컨트롤러는 A가 요청한 데이터를 디스크로부터 읽어와 로컬 버퍼에 저장
읽어오는 동안 A는 CPU를 B 프로그램에 넘겨 줌 (A 프로그램은 봉쇄 상태가 되며, CPU 명령을 수행하려 해도 못함.)
디바이스 컨트롤러가 작업이 끝나면 하드웨어 인터럽트 발생
인터럽트가 발생되면 B 프로그램 작업을 미뤄두고 인터럽트 처리 루틴에 가서 인터럽트 처리
인터럽트 처리 루틴은 컨트롤러에서 데이터를 읽어와 A 프로그램에 올리게 되고, A 프로그램은 다시 CPU 대기 줄을 서서 기다린다.
CPU는 다시 B 프로그램에 돌아가 작업을 수행하게 된다.

일반적으로는 동기식 입출력을 사용하며, 운영체제는 장치별로 입출력 처리를 기다리는 프로세스를 줄세워 관리한다.

03-4. DMA(Direct Memory Access)

일반적으로 I/O 디바이스들은 메인 메모리에 직접 접근할 수 없고, 인터럽트를 발생시켜 CPU가 I/O 디바이스들의 데이터를 읽어 메인 메모리 프로그램에 올린다.

→ 하지만 CPU는 명령어를 처리하는 것 외에도 항상 각각의 I/O 디바이스들 인터럽트 처리도 해야 한다.

→ 기존의 CPU 작업들을 방해하게 된다.

이러한 비 효율성을 극복하기 위해 CPU 대신 I/O 디바이스들의 인터럽트를 처리할 컨트롤러를 하나 더 둔다

→ DMA

빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
CPU의 중재 없이 디바이스 컨트롤러가 디바이스의 버퍼 저장 공간의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴.
마지막에 CPU에게 인터럽트 한번 발생

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04. 저장 장치 구조

04-1. 주기억장치 = 메모리

휘발성(Volatile)
전원이 나가면 저장되었던 내용이 모두 사라진다
속도가 빠르다.
크기가 한정되어있고 가격이 비싸다.

04-2. 보조기억장치

비휘발성(Nonvolatile)
전원이 나가도 저장된 내용을 모두 기억할 수 있다.
마그네틱 디스크를 흔히 사용한다.
속도와 크기는 주기억장치보다 느리고 작지만, 가격은 비교적 싸다.

파일 시스템
1. 전원이 나가도 유지해야 할 정보가 있으면, 파일 형태로 보조기억장치에 저장
스왑 영역 (디스크에서 지정 가능)
1. 다수의 프로그램이 메인 메모리에 올라가 동시에 수행될경우, 메모리 공간이 부족한 경우가 발생
2. 한번에 메인 메모리에 올려놓는 것이 아닌 프로그램이 돌아가기 위한 핵심적인 부분만 메인 메모리에 올려 놓고, 나머지는 ‘스왑 영역’에 두고 필요할때마다 메인 메모리로 불러온다.

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캐시 메모리 (레지스터와 메인 메모리 사이에 존재)
- 캐싱 기법을 사용해 적은 용량의 캐시 메모리를 사용해서도 메인 메모리와 같이 큰 용량을 가진 것처럼 효율적으로 관리 가능

캐싱 기법(Caching) >

상대적으로 느린 저장장치에 있는 내용 중 당장 사용되거나 빈번히 사용될 정보를 빠른 저장장치에 선별적으로 저장하여 두 저장장치의 속도를 완충시키는 기법
→ Copying information into faster storage system

04-3. 메모리 보안

여러 프로그램이 메모리에 동시에 올라가서 실행되기 때문에 하나의 사용자 프로그램이 다른 사용자 프로그램이나 운영체제가 위치한 메모리 영역 침범 가능

→ 두개의 레지스터를 이용해 현재 접근하려는 메모리가 합법적인지 체크함으로써 메모리 보호

기준 레지스터 (base register)
1. 실행되고 있는 프로그램이 합법적으로 접근이 시작되는 메모리 주소를 보관
한계 레지스터 (limit register)
1. 해당 프로그램이 기준 레지스터로부터 접근할 수 있는 범위 지정

사용자 프로그램은 이 두개의 값의 범위만 접근할 수 있으며 이 범위를 벗어난 접근을 하게 되면 예외 인터럽트가 발생한다

→ Exception interrupt

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05. 하드웨어의 보안

일반적으로 사용하는 운영체제는 여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있는 다중 프로그래밍 환경에서 실행

→ 각 프로그램들이 다른 프로그램의 실행을 방해하거나, 프로그램 간 충돌 발생 가능하므로 문제 해결을 위한 각종 보안 기법 필요

하드웨어의 보안을 유지하기 위해 운영체제는 두가지 모두의 운영을 지원함

커널 모드
1. 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 운영체제 코드를 실행하는 모드
2. 모든 종류의 명령을 다 실행할 수 있음
3. Mode bit 0
사용자 모드
1. 일반 사용자 프로그램이 실행
2. 제한적인 명령 수행 가능 → 보안과 관련된 명령, 특권 명령어는 사용 불가
3. Mode bit 1

여기서 잠깐 Mode bit >

사용자(user)와 OS 는 시스템 자원을 공유합니다. 때문에 사용자가 메모리 내의 OS 영역을 침투해서 고의적으로 시스템을 망가트릴 수 있습니다. → OS 의 안전과 적절한 동작을 위해서 보호 장치가 필요 : Mode bit → CPU에서 지금 실행되는 프로그램이 프로그램인지 운영체제인지 구분해주는 역할

사용자 모드 (user mode): 제어권이 사용자에게 있고, 사용자 수준의 코드가 수행
커널 모드(kernel mode): 제어권이 OS에게 있고, OS 코드가 수행
→ 하드웨어에 Mode bit을 추가해서 각 모드를 표시합니다. → **사용자 모드는 1, 커널 모드는 0
특징

UserMode에서는 특권 명령어(kernel에 악영향을 끼칠 수 있는 명령어)가 수행될 수 없음
Interrupt나 Exception 발생 시 커널 모드

→ 이중 연산 모드(하드웨어에서 Mode bit로 제공)로 OS 동작의 안정성을 보장할 수 있다.

CPU는 보안과 관련된 명령을 수행하기 전에 Mode bit를 조사해 0으로 세팅된 경우에만 명령 수행

보통 Mode bit가 0이 되는 경우에는 운영체제에게 권한이 넘어가거나 인터럽트가 발생해 인터럽트 루틴을 처리해야 할 경우이다.

06. CPU의 보안

일반적으로 CPU는 컴퓨터 시스템 내에 하나씩 존재

따라서 특정 프로그램이 CPU를 독점해 무한 반복문을 수행하게 되면 다른 프로그램들 및 운영체제가 CPU를 획득하지 못한다

→ 타이머 사용

타이머
→ 특정 프로그램이 무한 루프에 빠져 CPU를 독정하는 것을 막기 위해 존재
→ 특정 프로그램이 CPU 할당 시간을 초과할 시 timer는 인터럽트를 발생시켜 CPU의 권한을 다시 OS에 이양시킨다.
→ 타이머 값이 0이 되면 인터럽트 발생

07. 시스템 콜을 이용한 입출력 수행

사용자 프로그램이 I/O 디바이스 등을 통해 데이터 입출력 불가

→ 운영체제를 통해서 해야 한다.

운영체제에는 I/O 디바이스들의 데이터 입출력 명령이 코드로 구현되어 있다.

따라서 보통의 사용자 프로그램들은 인터럽트를 발생시켜 I/O 디바이스 등의 입출력을 하는데 이를 가리켜 시스템 콜이라 한다.

소프트웨어적인 인터럽트로서 사용자 프로그램이 시스템 콜을 할 경우, 트랩이 발생해 CPU에 대한 제어권이 운영체제로 넘어간다. (kernel mode, 0)
운영체제는 해당하는 시스템 콜을 처리하기 위해 인터럽트 처리 루틴으로 넘어가 시스템 콜에 맞는 루틴을 처리한다.
프로세스에서 시스템콜로 커널의 코드를 실행하더라도 이를 ‘프로세스의 실행 상태’라고 한다
- 첫 시작은 프로세스에서 시작되었기 때문
- ‘프로세스가 커널 모드에서 실행 중’ 으로 출력

08. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

사용자 정의 함수
1. 사용자가 만든 함수
라이브러리 함수
1. 자신의 프로그램에서 정의한 것이 아닌, 누군가가 정의해놓은 함수
커널 함수
1. 운영체제 커널 코드에 정의된 함수 (운영체제 프로그램의 함수)
2. 이를 호출하는 것이 시스템 콜이다.
3. 커널 함수 = 시스템 콜 함수 + 인터럽트 처리 함수

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사용자 정의함수와 라이브러리 함수는 해당 프로그램의 코드 영역에 기계어 명령 상태로 저장한다.

해당 프로세서의 주소 공간에 포함된다
함수 호출 시에도 자신의 주소 공간에 있는 스택을 사용

08-1. 프로그램의 실행

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timer, I/O 작업은 배재한 그림이다. 출처 : 운영체제 반효경 교수님

참조

https://wan-blog.tistory.com/32

https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=4717010&logNo=60210905703

https://velog.io/@adam2/인터럽트

https://velog.io/@suuhyeony/운영체제-Ch2.-시스템-구조와-프로그램-실행

https://velog.io/@taelee/4장-프로그램의-구조와-실행-운영체제와-정보기술의-원리

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