3장. 컴퓨터 시스템의 동작 원리

1. 컴퓨터 시스템의 구조 - CPU, 메모리, 디스크, 외부장치
2. CPU 연산과 I/O 연산 - 외부장치마다 로컬버퍼 달려있음. 다 차거나 지정된 간이 넘으면 컨트롤러가 인터럽트 발생시켜서 전달
3. 인터럽트의 일반적 기능 - 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트(트랩, 예외사항 or 시스템콜)
4. 인터럽트 핸들링 - PCG에 레지스터값, 코드메모리 주소, HW 상태 저장 후 CPU제어권이 인터럽트 처리루틴으로 넘어감
5. 입출력 구조 - 동기식 입출력, 비동기식 입출력 차이
6. DMA - CPU 앞에서 외부장치의 로컬버퍼에서 메모리로 읽어오는 일을 CPU 대신 해줌
7. 저장장치의 구조 - 휘발성, 비휘발성 디스크
8. 저장장치의 계층 구조 - 가성비를 위해 캐싱. 꼭 필요한 부분만 메모리에 올리고 나머지는 디스크의 스왑 영역에 올린다(스왑 아웃)
9. 하드웨어의 보안 - 시스템콜이 작동될 때마다 사용자모드1, 커널모드0인지 modebit로 구분함
10. 메모리 보안 - 기준 레지스터, 한계 레지스터
11. CPU 보호 - 타이머를 이용해서 인터럽트
12. 시스템 콜을 이용한 입출력 수행 - 트랩 발생시켜서 제어권이 프로그램에서 OS로, 작업이 끝나면 다시 프로그램으로 넘어옴

전반적인 컴퓨터 구조

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• CPU
  • ALU
  • CU
  • register
  • cache memory
  • interrupt line - CPU가 하나의 명령을 실행할 때마다 인터럽트 라인이 인터럽트를 감지했는지 확인한다
  • modebit - CPU가 보안과 관련된 명령을 수행하기 전에 modebit값을 검사해서 0인 경우에만(커널모드) 일 때만 실행한다. 시스템 보안과 관련된 명령은 커널모드에서 OS에 의해서만 수행될 수 있따.
• Memory
  • 프로세스마다 달려 있는 PCB(실행중인 프로세스의 메모리주소, 레지스터값, 하드웨어상태… 저장됨)
• 컨트롤러
  • DMA controller - CPU가 너무 자주 인터럽트 되서 효율이 떨어지는 것을 막기 위해 블록 단위로 데이터를 받다가 CPU에게 한꺼번에 넘겨준다. (CPU의 인터럽트 빈도가 줄어듬)
  • timer - 하나의 프로세스나 외부기기에 CPU자원이 독점되는 것을 막기 위해 정해진 시간이 지나면 인터럽트를 발생시켜서 자원을 반환시키는 하드웨어이다. (그리고 시분할 시스템에서 현재시간을 계산하기 위해 사용된다)
• 로컬버퍼 - 장치마다 달려있는 데이터 임시저장을 위한 메모리. 요청된 데이터가 다 쌓이면 장치 컨트롤러에 보내면 컨트롤러가 인터럽트를 발생시켜서 CPU에 보고한다
• 보조 기억장치 - 파일 시스템용 + 메모리 연장공간용(메모리의 공간이 모자르면 보조기억장치의 스왑 영역을 통해서 메모리에 올라온 프로그램 일부를 디스크에 스왑아웃 했다가 다시 메모리영역으로 가져간다. 일종의 캐싱 기법)

인터럽트

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인터럽트란

• 컨트롤러들이 CPU의 서비스가 필요할 떄 이를 통보하는 방법

인터럽트 종류

• 인터럽트를 일으키는 주체에 따라
  • 하드웨어 인터럽트 - 하드웨어 장치가 CPU에서 실행될 인터럽트 라인을 지정함
  • 소프트웨어 인터럽트(트랩) : exception, system call 두가지 경우. 이 경우 CPU의 제어권이 프로세스에서 OS로 넘어갔다가 처리 후 다시 프로세스로 돌아오게 된다.
    • exception 인 경우: 비정상적인 작업, 권한이 없는 작업 시도시에 발생
    • system call: 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 직접 요청할 때 발생
• 인터럽트가 발생하면 처리해야될 일의 절차를 인터럽트 핸들링 이라 한다.

인터럽트 처리 절차(인터럽트 핸들링)

1. CPU 자원으로 돌아가는 프로그램이 데이터를 요청함(소프트웨어 인터럽트 예시)
2. 신호가 디스크에 전달된다.
3. 디스크 컨트롤러가 데이터를 로컬버퍼에 쌓음 → 다 쌓였으면 컨트롤러가 인터럽트로 CPU에 보고한다
4. CPU는 OS 커널 상에서 미리 인터럽트 벡터에 정의되어 있는 함수(인터럽트 처리루틴 or 핸들러) 실행 → 인터럽트 핸들러가 인터럽트 처리
5. 처리 끝나면 CPU는 기존에 하던 일을 마저 하러간다(아까 실행하던 프로세스의 PCB에 저장되어 있는 부분부터 다시 실행 시작)

외부장치와의 I/O 방식 - 동기식, 비동기식 입출력

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• 외부 I/O장치가 몇개 없던 초창기에는 OS가 직접 주기적으로 I/O장치를 확인함(polling 방식)
• 오늘날에는 I/O장치가 너무 많아져서 대신 event driven 방식으로 인터럽트를 통해 처리함

• 프로세스가 OS에 입출력 요청을 하는데 입출력 요청을 한 프로세스가 그 작업이 끝날 때까지 block상태로 대기하고 있으면 동기식 입출력 방식이다
  • 동기식 입출력에서는 요청한 순서대로 프로세스를 진행해야 되므로 장치별로 큐를 두게 된다. (다수의 프로세스들이 입출력을 요청하게 되면 동기성을 보장하기 위해 요청한 순서대로 처리하게 된다.)
• 프로세스가 입출력이 진행되는 동안 다시 CPU자원을 획득해서 다른 처리를 하고 있다가 요청한 데이터가 넘어오면 I/O작업이 끝났다는 인터럽트가 발생해서 다시 해당 작업으로 되돌아 가는 방식의 I/O방식이 비동기식 입출력이다

OS가 사용자 프로그램으로부터 메모리 보안을 지키는 방식 - 기준레지스터, 한계레지스터

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• 기준레지스터(프로그램의 시작 주소), 한계 레지스터(프로그램의 길이) - 이 2가지 기준을 통해 사용자의 프로세스가 접근하려는 메모리부분이 권한이 있는 곳인지 체크해서 메모리를 보호한다.
• 사용자 모드일때는 이 2개 기준을 사용해서 메모리를 보호하고, 커널모드에서는 메모리에 무제한으로 접근이 가능하다.

유저 프로그램이 시스템 명령을 사용해야할 때 - 시스템콜

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• 입출력 명령 같은 특권명령은 OS에 정의되어있다. 유저 프로그램은 OS에 시스템콜을 한다. 시스템콜(=소프트웨어 인터럽트, 트랩)을 하면 CPU 제어권이 프로그램에서 OS로 넘어오고, OS가 시스템 콜로 정의된 명령을 수행하여 마치면 다시 인터럽트가 발생하여 자원을 반환하고 프로그램에 CPU자원이 넘어간다.

참고서적: 운영체제와 정보기술의 원리 - 반효경, Operating System:Concepts - 9th edition, Wiley