[운영체제] 시스템 구조 및 프로그램 실행

2021, 8월 7일, 토요일 오후 4:08운영체제23분안에 읽기 (약 3413 단어)0회 방문

[운영체제] 시스템 구조 및 프로그램 실행

💡 tl;dr

컴퓨터 시스템 구조
입출력(I/O)의 수행
저장장치 계층 구조

컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 시스템 구조

[ CPU ] - [ memory ] - [ I/O device ]

부트스트랩 (bootstrap)

컴퓨터 전원을 켰을때 처음 실행되는 프로그램
부트스트랩 실행 후 운영 체제를 로드함

CPU의 역할

메모리에서 명령어(instruction)를 불러와 실행
실행 후 interrupt line을 체크하여 인터럽트가 발생했는지 확인
OS에게 CPU 권한을 할당
- timer에 시간을 정해서 권한을 할당

인터럽트 (Interrupts)

CPU가 프로그램을 실행 중일 때 I/O등의 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 경우 CPU에게 알려 처리할 수 있도록 하는 것
CPU와 I/O device가 서로 통신하는 방법 중 하나
하드웨어는 언제든지 인터럽트를 트리거 할 수 있음
- 일반적으로 시스템 버스를 통해 CPU로 신호를 전송
인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 저장한 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

OS의 역할

인터럽트 관리
- I/O device의 인터럽트가 발생하면 CPU로부터 권한을 받아 어떤 프로그램에서 인터럽트가 사용되었는지 확인 후 메모리 할당
- 그 후 기존 구동하던 프로그램에 CPU 권한을 할당
프로그램 실행을 위한 환경 제공
- 사용자 인터페이스
- 프로그램 실행
- 입출력 동작
- 파일 시스템 조작
- 커뮤니케이션
- 오류 감지
- 자원 할당
- 로깅
- 보호 및 보안
- 프로세스(thread)
  - 다중처리, 동기화, 교착 상태, 메모리, 가상 메모리, CPU 스케줄링 등등

모드 비트 (mode bit)

모드 비트

운영체제에는 사용자모드와 커널모드가 있는데, 모드 비트는 운영체제의 현재 모드를 표현하는 값이다.
1 - 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
- 제한된 명령어만 CPU에서 실행할 수 있음
- 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 피해를 막기 위한 보호 및 보안 장치
0 - 모니터 모드 : OS 코드 수행 (커널 모드)
- 메모리 뿐만 아니라 I/O device 접근 등 모든 일을 할 수 있음

타이머 (timer)

정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시키는 장치
값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
시분할(time sharing)을 구현하기 위해 널리 이용됨
타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

장치 제어기 (Device Controller)

bus를 통해 CPU와 직접적인 통신을 하는 장치
- 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
- 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
- local buffer를 가짐 (일종의 data register)
device driver(소프트웨어)는 운영체제가 장치들과 호환되게 해주는 하나의 코드
- 이를 디바이스 컨트롤러가 인식하는 것
I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
디바이스 컨트롤러는 I/O가 끝났을 경우 인터럽트로 CPU에 그 사실을 전달

DMA controller

직접 메모리 접근 (Direct Memory Access)
CPU처럼 직접 메모리에 접근할 수 있는 컨트롤러
메모리 교통정리 역할
I/O의 local buffer복사작업을 수행하여 CPU의 interrupt 작업을 최소화 시킴

SMP (Symmetric multiprocessing)

SMP

CPU를 여러개 다는 구조 (각각의 레지스터와 캐시가 존재)
가장 일반적인 멀티 프로세서 시스템
- 각 피어 CPU 프로세서가 모든 작업을 수행하는 경우
ex) 슈퍼컴퓨터

멀티프로그래밍 (Multiprogramming)

Multiprogramming

여러 프로그램을 메모리에 모두 올리고 동시에 실행 시키는 설계
CPU 사용률을 높이기 위한 목적

멀티 태스킹 (멀티 프로세싱)

CPU 입장에선 각 프로그램의 구동이 찰나의 사용에 불과하므로 여러 프로그램을 시간을 쪼개 사용하여 동시에 작동하게 하는 것
CPU scheduling
- 여러 프로세스가 동시에 실행될 준비가 된 경우 세스템이 순서를 관리하는 것
- CPU 효율을 가장 좋게 만드는 것이 목표

가상화 (Virtualization)

단일 컴퓨터의 하드웨어를 여러 다른 실행 환경으로 추상화 하는 기술
VMM : 가상 머신 매니저 (Virtual Machine Manager)
- VMware, XEN, WSL 등

사용자와 OS의 상호작용

인터페이스를 이용한 상호작용
- CLI (Command Line Interface)
  - 보통 쉘로 알려짐
  - sh, bash, csh, tcsh, zsh 등
- GUI (Graphic User Interface)
  - Windows, MacOS, Linux 등
- Touch-Screen Interface
  - Android, iOS 등
System calls
- API (Application Programming Interface)
- 커널 함수 호출
  - 운영체제 프로그램의 함수
  - 커널 영역의 code 부분에 속함
  - standard C library

입출력(I/O)의 수행

I/O Structure

모든 입출력 명령은 특권 명령
OS 코드의 상당 부분이 I/O 관리 전용

DMA (Direct Memory Access)

빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
바이트 단위가 아닌 block 단위로 인터럽트를 발생시킴
ex) 유투브 시청

사용자 프로그램이 `I/O`를 하는 방법

시스템콜 (system call)
- 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
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 시스템콜 다음 명령으로 옮김

`I/O`를 하기위해 필요한 인터럽트 종류는? (`hard` or `soft`)

둘 다 필요
소프트웨어 인터럽트로 요청
끝났을 때는 하드웨어 인터럽트로 controller가 알려줌

시스템 콜 (System Call)

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스
프로그래밍 언어에서 지원하지 않는 기능에 대하여 운영 체제의 루틴을 호출하여 이를 이용하는 것

시스템 콜(`system call` or `syscall`)의 3가지 기능

사용자 모드에 있는 응용 프로그램이 커널의 기능을 사용할 수 있도록 한다.
시스템 호출을 하면 사용자 모드에서 커널 모드로 바뀐다.
커널에서 시스템 호출을 처리하면 커널 모드에서 사용자 모드로 돌아가 작업을 계속한다.

시스템 콜의 유형

프로세스 제어 (Process Control)
파일 조작 (File Manipulation)
장치 관리 (Device Management)
정보 유지 (Information maintenance)
통신 (Communication)

CPU

프로그램 카운터라는 레지스터가 가르키는 메모리에서 인스트럭션을 하나 읽어와 실행
인터럽트가 들어온게 있는지 확인 뒤 있으면 하던 작업을 멈추고 CPU 제어권을 운영체제에게 넘김
OS는 인터럽트 라인별로 있는 인터럽트 벡터의 주소로 찾아가 인터럽트 처리 루틴을 실행함

인터럽트 벡터

해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
인터럽트 번호, 주소 쌍을 포함

인터럽트 처리 루틴

= Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러
해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
disk controller가 발생시킨 인터럽트에 대해서 CPU에서 실행시켜야할 커널 함수가 정의되어 있는 것

동기식 입출력 (synchronous I/O)

I/O 요청 후 입출력 작업이 오나료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감

구현 방법 1

I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음

구현 방법 2

I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에서 CPU를 빼앗음
I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
다른 프로그램에게 CPU를 줌

비동기식 입출력 (asynchronous I/O)

I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
동기식, 비동기식 입출력 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌

저장장치 계층 구조 (Memory Hierarchy)

Memory Structure

서로 다른 특징을 가진 여러 종류의 저장 장치를 함께 사용하여 최적의 효율을 내는 것
싸고 성능 좋은 컴퓨터를 구현하는 설계
위로 올라갈수록 입출력 속력(대역폭)과 비용 증가
아래로 내려갈수록 용량 증가

주 기억장치

컴퓨터에서 수치·명령·자료 등을 기억하는 컴퓨터 하드웨어 장치
CPU에서 직접 접근이 가능
상수를 쓰는 것 이외의 연산은 CPU에서 바로 수행할 수 없음
- 메모리 값을 레지스터로 로드, 연산, 결과 적용의 단계 필요
휘발성 메모리
- 저장된 정보를 관리하기 위해 전력이 요구되는 컴퓨터 메모리
- 전력이 없으면 손실됨

Registers

컴퓨터에서 제일 빠른 메모리
CPU 계산 과정에서 작동

Cache Memory

레지스터 다음으로 빠른 메모리
레지스터와 메인 메모리 간 속도 차이를 완충하기 위해 캐시 메모리 사용
메인 메모리보다 용량이 작으므로 당장 사용할 메모리만 올려서 사용
캐싱과 재사용 목적
투명성 (Transparent)
- 캐시는 보통 프로그래머가 직접 제어할 수 없으며 CPU에 의해 자동으로 통제됨
- 캐시가 있든 없든 프로그래머와 외부 사용자에게 보이는 결과는 동일함
- 이러한 특성을 사용자에게 투명(transparent)하다고 한다.
- 캐시의 특성을 이해하고 프로그래밍하면 훨씬 효율 좋은 코드를 생성할 수 있다.

메인 메모리

RAM (Random Access Memory)이라 불림.
- 어느 위치에든 똑같은 속도로 접근하여 읽고 쓸 수 있다는 의미
CPU나 메인보드와 분리되어 있는 메모리 중 최상위 메모리
프로그램을 직접 구동하는 데 사용되는 주 기억 장치의 최하위 메모리
CPU와 캐시에 비하면 훨씬 느리지만, HDD나 SSD보다 차원이 다르게 빠름

보조 기억장치

대용량의 자료를 영구적으로 보관하기 위해서 사용하는 저속, 저가, 대용량의 기억장치
- 속도적 측면에서 레지스터가 머릿속에서 떠올리는 정보라면 보조기억장치는 지구를 한 바퀴 돌아 찾아오는 정보로 비유됨
CPU에서 직접 접근이 불가능한 메모리
접근하려면 디바이스 드라이버와 시스템 콜을 통해 주기억장치로 로드(Load) 필요
비휘발성 메모리
- 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 메모리

스토리지 (SSD, HDD)

보조 기억장치 중에서 성능적으로 최상위에 위치 (SSD > HDD)
보통 SSD는 100GB ~ 1TB 정도, HDD는 1TB ~ 6TB 정도의 용량으로 구성
일반적으로 ATA라는 중간 계층을 따로 두어 통신
NVMe SSD는 CPU와 직접 통신

이동식 저장장치

USB 메모리, ODD 등
기업에선 backup용으로 자기테이프도 사용
때로는 키보드, 마우스 등의 입력장치나 클라우드 스토리지 등을 포함하기도 함

참고

[운영체제] 시스템 구조 및 프로그램 실행

https://sklubmk.github.io/2021/08/07/b0dd3c8bc4ba/

Author

Jinki Kim

Posted on

2021-08-07

Updated on

2021-11-01

Licensed under

#운영체제 컴퓨터 프로그램 커널

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