[운영체제] CH2. System Structure(1)

컴퓨터 시스템의 대략적인 구조

CPU는 메모리에서 인스트럭션을 읽어와서 실행하는 역할을 수행한다.

CPU 안에는 메모리보다 빠른 작은 저장 공간이 있다 ▷ 레지스터

 

Device Controller가 각 IO 디바이스마다 붙어 있어서 그 장치들을 전담하는 작은 CPU 역할을 한다. ex) '디스크에서 데이터를 읽어 와라' 요청이 들어오면 CPU가 직접 가서 읽어 오는 것이 아니라 disk controller에 요청을 해서 disk controller가 요청을 수행한다.

제어 정보를 위해 control register, status register를 가지고 있다.

CPU가 Main Memory라는 작업 공간이 있듯이, 각각의 Device Controller들에게도 local buffer(일종의 data register)라는 작업 공간이 있다. I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어난다. Device controller는 I/O가 끝났을 때 interrupt로 CPU에 그 사실을 알린다.

• Device Driver(장치 구동기) - OS코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> SW
• Device Controller(장치 제어기) - 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> HW

 

Interrupt line

CPU는 항상 메모리에 있는 인스트럭션만 실행한다. 인스트럭션 하나가 실행되고 나면, 다음에 실행할 인스트럭션의 주소값이 증가하고 다음 사이클에서는 다음 인스트럭션을 수행한다. 이 때, 인스트럭션들 수행 사이에 interrupt가 있는지 확인해주는 역할을 한다.

 

Timer

특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 방지하는 장치이다. time sharing을 구현하기 위해 많이 이용된다. 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킨다. 타이머는 매 클럭마다 1씩 감소하고 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트를 발생시킨다.

*모든 사용자 프로그램은 직접 IO 장치에 접근할 수 없다. 접근하는 모든 인스트럭션은 OS를 통해서만 접근할 수 있도록 막아놨다.

요청했던 프로그램은 언제 다시 CPU를 가질 수 있을까?

▷ 요청한 작업이 끝나면 IO Controller가 CPU에 인터럽트를 건다. CPU가 다른 작업을 수행하고 있더라도 인터럽트가 들어오면 CPU 제어권이 운영체제에게 간다. 운영체제가 인터럽트가 왜 들어왔는지를 확인하고 입력된 값(요청한 값)을 아까 IO를 요청했던 프로그램의 메모리 공간에다가 카피를 해주고, 원래 CPU를 갖고 있던 프로그램에게 다시 넘겨준다. IO를 요청했던 프로그램은 CPU Scheduling 정책에 따라 자기 차례가 오면 CPU를 차지하게 된다.

 

Mode bit

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치가 필요하다. ▷Mode bit를 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation을 지원한다.

1(사용자 모드): 사용자 프로그램 수행

0(모니터 모드): OS 코드 수행

• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권 명령으로 규정
• Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit를 0으로 세팅
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit를 1로 세팅

모니터 모드 = 커널 모드, 시스템 모드. 운영체제가 CPU에서 실행 중인 상태

 

DMA(Direct Memory Access) Controller

직접 메모리에 접근할 수 있는 컨트롤러. 원래 메모리에 접근할 수 있는 장치는 CPU 뿐이었는데, DMA를 두어 메모리에 접근 가능하게 한다. 이 때 동시에 같은 공간에 접근하는 것을 방지하기 위해 memory controller가 접근 순서 등을 조율한다.

작업이 들어 왔을 때 CPU에게 인터럽트를 걸어서 메모리에 카피하게 하면 오버헤드가 너무 크다. ▷ CPU는 계속 자기 일을 하고, IO 장치에서 작업이 끝나면 DMA가 local buffer에 있는 데이터를 직접 메모리에 복사해준다. 이 작업이 모두 끝나면 CPU에 인터럽트를 한 번만 걸어줌으로써 인터럽트 횟수를 줄인다.

 

Program Counter

CPU가 다음에 실행해야 할 인스트럭션의 주소값을 가지고 있는 레지스터.

 

I/O의 수행

모든 입출력 명령은 특권 명령이다.

그럼 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 할까?

• 시스템 콜(system call) - 사용자 프로그램이 운영체제(커널)의 함수를 호출하는 것
• trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
• 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
• 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
• I/O 완료 시 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

사용자 프로그램이 운영체제에게 무언갈 요청하기 위해서 소프트웨어적으로 직접 인터럽트를 걸 수도 있다(이를 소트프웨어 인터럽트(=trap)라고 부른다). 인터럽트가 들어오면 mode bit가 0으로 바뀌고 CPU 제어권이 운영체제에게 넘어가게 된다.

 

시스템 콜(System Call)

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것.

 

인터럽트

Interrupt(하드웨어 인터럽트) - 하드웨어가 발생시킨 인터럽트. 타이머 인터럽트, IO Controller가 거는 인터럽트 등..

Trap(소프트웨어 인터럽트)

• Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
• System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

인터럽트 관련 용어

• 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있다.
• 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

 

 

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다. 즉, 운영체제는 CPU를 사용할 일이 없고 인터럽트가 들어올 때만 CPU를 사용한다.

 

 

 

 

본 포스팅은 이화여대 반효경 교수님의 강의와 경북대 탁병철 교수님의 강의를 토대로 작성한 글입니다.