퇴근 후 운영체제 시리즈 - 컴퓨터 시스템의 구조
운영체제 스터디 기록
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운영체제란?
컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치된 SW와 HW를 연결해주는 소프트웨어 계층
- 협의의 운영체제(커널)
- 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
- 광의의 운영체제
- 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념
운영체제의 목적
컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
- 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리
- 사용자 및 운영체제 보호
- 프로세스, 파일, 메시지 관리
→ 어떤 프로세스에게 얼만큼의 메모리를 주어야 하는가 → OS의 주요 핵심
운영체제의 분류
🛩️ 동시 작업 가능 여부 / 사용자의 수 / 처리 방식
동시 작업 가능 여부
요즘은 멀티태스킹이 기본이기에 메모리 관리가 더 중요해지는 것
- Single Tasking
- 한번에 하나의 작업만 처리
- Multi Tasking
- 동시에 두개 이상의 작업 처리
사용자의 수
동시에 접속 가능한가? → 파일 관리가 더 중요해지고 보안에 신경써야됨
- 단일 사용자
- 다중 사용자
처리 방식
일괄 처리 (Batch Processing) - 현대에는 맞지 않음
- 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
- 완전 종료될 때까지 기다려야됨
시분할 (Time Sharing) - 범용
- 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할
- 짧은 응답 시간
- interactive 한 방식
실시간 (Realtime OS)
- 정해진 시간(Deadline) 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 시스템
- 원자로 / 공장 제어, 미사일, 반도체, 로봇
- 우리가 쓰는 운영체제는 실시간 시스템이 아님 → 그럴 필요가 없고 목적이 다름
몇 가지 용어
* Multitasking :
* Multi programming : 메모리 측면을 강조한 것
* Multi Processor : 하나의 컴퓨터에 **CPU(Processor)가 여러 개** 붙어있는 것을 의미함
* 복잡한 문제들이 생김 -> 병렬적으로 어떻게 처리할건가?
우리는 **CPU가 하나 있다고 생각하고 수업을 진행**
컴퓨터 시스템 구조
각각의 컨트롤러들은 로컬 버퍼라는 작업 공간을 가지고 CPU와 상호작용
- CPU가 운영체제에 의해 실행될 때는 별다른 제약이 없음
- 하지만 사용자 프로그램을 실행할 때는 운영체제가 제어할 길이 없어짐
- 따라서 지금 CPU가 운영체제를 위해 돌아가는지 User를 위해 돌아가는지를 알기 위해 Mode Bit 를 이용하고 있음
- 메모리는 오로지 CPU에 의해서만 접근이 가능함~!!
Mode Bit
사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치
Mode bit 을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 Operation 제공
- 사용자 모드 (1) : 사용자 프로그램 수행
- 모니터(커널) 모드 (0) : OS 코드 수행
✔︎ 보안을 해칠 수 잇는 중요한 명령어는 특권명령 이라 하며 이는 커널 모드에서만 돌아갈 수 잇음
✔︎ 인터럽트나 Exception 발생 시 하드웨어가 mode bit 을 커널 모드로 전환
- CPU에는 Interrup line 이 존재하여 이를 통해 인터럽트를 파악함
✔︎ 사용자 프로그램에게 넘기기 전에 mode bit 을 사용자 모드로 세팅
Regisiter
📎 CPU 내부에 레지스터가 존재하고 연산의 input과 output 을 저장하기 위한 제일 빠른 HW
Program Counter
다음에 실행할 명령어의 주소(메모리에 존재함)를 가지고 있음
Timer
🚄 운영체제가 프로그램으로부터 CPU의 독점을 막기 위한 개념
일정 시간이 지난 후에도 일종 프로그램이 무한 루프를 돌면서 자원을 계속 쓰고자 하더라도 미리 세팅된 Timer 에 의해 인터럽트가 걸림
- 정해진 시간이 흐른 뒤 OS에게 제어권이 넘어가도록
- 매 클럭 틱마다 1씩 감소하며 처리
Interrupt
🤿 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨 → 운영체제는 인터럽트가 들어왔을 때만 일을 한다.
CPU가 모든 I/O 장치를 접근하는 명령은 특권 명령 임 → 따라서 운영체제에게 이를 부탁해야됨
System Call
사용자 프로그램이 운영체제의
서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
ex) CPU가 일을 하다 disk 에 있는 파일을 읽어와야 한다 → 파일 read system call 호출
사용자 프로그램을 실행할 때는 Interrupt line 에 아무것도 안 들어와 있을텐데 디바이스 컨트롤러에게 어떻게 접급할까? → 프로그램이 System Call 을 호출에서 인터럽트를 만든다.
Interrupt Flow
✔︎ 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter를 저장 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
✔︎ 넓은 의미
- 하드웨어 인터럽트 : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
- Trap (소프트웨어 인터럽트)
- Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
- System Call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
✔︎ 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
✔︎ 인터럽트 처리 루틴 : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
Device Controller
I/O 디바이스 컨트롤러 - HW
- 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
- 펌웨어에 있는 명령어 대로 일을 함
- 제어 정보를 위해 Control Register, Status Register를 가지고 있음
- 로컬 버퍼를 가짐 → 일종의 data register
I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
프로그램의 실행 (컴파일, 링커, 로더)
일반적으로 프로그램은 디스크에 이진 실행 파일로 존재 (a.out / prog.exe)
이를 실행하려면 프로그램을 메모리로 가져와 프로세스 형태로 배치되어야 함
Program Execution Flow
- 소스 파일은 임의 물리 메모리 위치에 적재되도록 설계된 오브젝트 파일로 컴파일 됨 ⇒ 재배치 가능 오브젝트 파일
- 링커 : 오브젝트 파일을 하나의 이진 실행 파일로 결합 (다른 오브젝트 파일과 엮음)
- 로더 : 이진 실행 파일을 메모리에 적재하는데 사용 → CPU 코어에서 실행할 수 있는 상태가 됨
- 링크 및 로드와 관련된 활동 = 재배치 ⇒ 최종 주소를 할당하고 프로그램 코드와 데이터를 해당 주소와 일치하도록 조정
ex) ./main 을 쉘에 입력했을 때
- fork() 시스템 콜을 사용하여 새 프로세스 생성
- exec() 시스템 콜을 로더를 호출하고 exec() 에 실행 파일 이름 전달
- 로더는 생성된 프로세스의 주소 공간을 사용하여 메모리에 적재
시스템 부팅
하드웨어는 운영체제를 어떻게 인식해서 사용할까? → 부팅 프로세스
- 부트스트랩 프로그램 또는 부트 로더가 커널의 위치를 찾는다.
- 커널이 메모리에 적재되고 시작된다
- 커널은 하드웨어를 초기화한다.
- 루트 파일 시스템이 마운트 된다.
다단계 부팅 과정
- 컴퓨터 전원을 처음 켜면 BIOS 라 하는 비휘발성 펌웨어에 있는 소형 부트로더가 실행된다.
- 초기 부트 로더는 부트 블록이라 하는 두 번째 부트 로더를 적재하는 작업만 실행한다.
- 해당 부트 블록이 운영체제를 메모리에 적재한다.
Quick Question 🙋
운영체제가 CPU에게 넘어가는 경우는 어떤 경우들인가?
인터럽트 라인을 세팅해야 하는 경우!!
그럼 누가 그 인터럽트 라인을 세팅하느냐?
- 하드웨어가 인터럽트를 걸었을 때
- 프로그램이 System Call을 호출했을 때
프로그램의 과도한 자원 할당을 막아야 하는 경우
- Timer에 의한 인터럽트
- 과도한 I/O의 대기 (키보드 입력 기다릴 때)
동기식 입출력과 비동기식 입출력
동기식 입출력 (synchronous I/O)
✔︎ I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어가는 것
✔︎ 구현 방법 1
- I/O가 끝날 때까지 CPU 낭비
- 매 시점 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 → 비동기식이기에 다른 프로세스도 I/O 처리를 요청할 수 있으니…
- 다른 프로그램에게 CPU 를 줌
비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
✔︎ I/O 가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자에게 즉시 넘어감
주요 포인트 : 결과를 보지 않고 그 후 작업을 이어가느냐 의 차이
ex) 파일에 내용을 써라 → 쓰는 작업은 결과를 볼 필요가 없기에 비동기식으로 진행 가능
DMA (Direct Memory Access)
🧶 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용 → 인터럽트 처리 자체도 오버헤드로 작용하기 때문!
✔︎ CPU의 중재없이 device controller 가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 저장
✔︎ 따라서 byte 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트 발생
- 메모리는 CPU만 접근 가능하지만 빠른 입출력 장치는 잦은 인터럽트로 인해 오버헤드가 생김
- 이를 보완하고자 메모리에 바로 접근하라고 만들어진 것이
DMA Controller - 요지는 Block 단위로 처리해서 그 오버헤드를 줄인다는 것임
연습 문제
시스템 설계 시 계층화된 접근 방식의 주요 장점은 무엇인가? 계층화된 접근 방 식의 단점은 무엇인가?
장점 : 자신의 하위 계층의 서비스만 사용할 수 있기 때문에 테스트와 디버깅이 수월하다
단점 : 사용자의 메시지가 많은 계층을 거쳐야 하므로 오버헤드가 크다.
