[운영체제] 4. System Structure & Program Execution 2

출처 : http://www.kocw.net/home/cview.do?lid=3dd1117c48123b8e

System Structure & Program Execution

• 컴퓨터 == 호스트라고도 부름
  • cpu와 메모리로 구성
• cpu는 매 순간 메모리에 올라와있는 기계어를 처리함
  • 프로그램 카운터가 가리키고 있는 것을 실행
  • cpu에서 인스트럭션을 실행하면 다음 것을 다시 할당
  • 프로그램이 항상 순차적으로 실행되는 게 아님
    • 그럼 다른 주소로 점프해서 실행해야 함
  • cpu는 아주 빠른 일꾼
    • cpu 안에 있는 레지스터로 실행됨(프로그램 카운터가 가리키는 주소)
  • 다음 인스트럭션을 실행하기 전에 인터럽트를 확인하고 들어왔다면 인스트럭션을 실행하는게 아니라 cpu 제어권이 운영체제에 넘겨짐
  • 모드 빗이 0이냐 1이냐
    • 0이면 모든 기계어 집합 실행 가능
    • 1이면 한정된 기계어 집합 실행 가능
      • 사용자 프로그램을 전부 믿을 수 없기에 이런 것을 막기위해
  • 사용자 프로그램이 운영체제에게 요청할 때 시스템 콜을 사용
  • 사용자 프로그램이 운영체제 함수를 로출할 때 의도적으로 cpu에 인터럽트를 걸어서 i/o를 수행하도록 함
  • 타이머가 인터럽트를 걸 수도 있음
  • 사용자 프로그램이 계속 cpu를 사용하지 못하도록

동기식 입출력과 비동기식 입출력

동기식 입출력 (synchronous I/O)

• I/O 요청 후에 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
  • I/O까지 가서 작업을 모두 보고 오는 것
  • I/O가 끝나야지 사용자 프로그램 가능
  • 보통 디스크에서 뭘 읽어온 다음에 다음 작업을 할 수 있는게 보통
• 구현 방법 1
  • I/O가 끝날 때까지 cpu를 낭비 시킴
  • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
• 구현 방법 2
  • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 cpu를 빼앗음
  • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄세움
  • 다른 프로그램에게 cpu를 줌

비동기식 입출력 (aynchronous I/O)

• I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
  • 지금 I/O 결과를 안 보고도 할 수 있는 작업들이 있으니 그 작업을 하도록 작성
  • 읽어와서 할 수 있는 작업은 읽어 온 후에 진행
  • 스토리지에 데이터를 쓰는 것은 동기적으로 보다 비동기적으로 사용, write

I/O가 끝났다는 것은 인터럽트로 알려줌

인터럽트(Interrupt)

• 키보드 두드리면 인터럽트를 걸어서 하는데 인터럽트를 많이 당하면 오버헤드가 뒤따름
• 그래서 DMA 장치를 달아서 메모리에 직접 접근
  • 작은 요청은 모아서 한 번에 cpu에 인터럽트를 걸어버림

DMA(Direct Memory Access)

• 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용함
  • 빠른 입출력 장치는 cpu에 인터럽트를 많이 걸기 때문에 dma를 사용
• cpu의 중재 없이 device controller가 device의 버퍼 스토리지의 내용을 메모리에 block단위로 직접 전송함
• 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

서로 다른 입출력 명령어

• 일반적인 i/o 방식
  • 메모리만 접근하는 인스트럭션
  • 디바이스 인스트럭션
    • 각 디바이스마다 i/o접근
• i/o에 연장 주소를 붙여서 접근

저장장치 계층 구조

Primary
	Registers
	Cache Memory
	Main Memory
Secondary
	Magnetic Disk
	Optical Disk
	Magentic Tape

• 위로 갈수록 속도가 빠른 매체
• 단위 공간당 단위 가격이 비싸서 용량이 적음
• 휘발성이냐
  • 세컨더리는 비휘발성
  • 프라이머리는 휘발성 매체
    • 메인 메모리 윗단은 휘발성
    • 아랫단은 비휘발성
• cpu가 접근 가능하면 프라이머리
  • 아니면 세컨더리
  • 바이트 단위로 접근이 가능하냐 아니냐
• cpu가 인스트럭션을 처리하는데 그래서 빠름
• 캐시 메모리는 메인 메모리와 cpu에서 속도 차이를 조절하기 위한 중간 단계
• 그래서 캐쉬 메모리에 올려놓는걸 캐싱이라고 함
  • 용량이 크지 않아서 많이는 못함
  • 그래서 어떤 걸 올려놓는가> 그게 캐싱 관리

프로그램의 실행(메모리 load)

• 파일시스템의 파일을 실행하면 메모리에 올라가서 그게 프로세스가 되어서 실행이 됨
• 물리적으로 바로 올라가는게 아니라 중간에 가상 메모리에 올라감
  • 그 프로그램만의 독자적인 주소 공간이 생성됨
  • 코드, 데이터, 스택으로 구성됨
  • 코드는 cpu에서 실행할 기계어 코드
  • 데이터는 변수 즉, 프로그램이 실해하는 자료구조
  • 스택은 함수로 되어있어서 함수를 호출하거나 리턴할때
• 이걸 물리적인 메모리에 올려서 실행
• 커널은 부팅 후 항상 메모리에 상주하지만 프로그램은 아님
  • 그래서 필요한 부분만 메모리에 올림
  • 주소공간중에서 필요한 부분은 메모리에 올리고 나머지는 디스크의 스왑 공간에 내려와있음
  • 그래서 가상 메모리라고 부름
  • 스왑 공간은 전원이 나가면 의미없음
    • 프로그램이 종료되니
    • 메모리 공간의 연장용도
• 물리적인 메모리에도 번호가 있음
  • 가상 메모리를 물리 메모리 주소로 변환해서 전달

커널 주소 공간의 내용

• 커널 코드
  • 시스템콜, 인터럽트 처리 코드
  • 자원 관리를 위한 코드
  • 편리한 서비스 제공을 위한 코드
• 데이터
  • 운영체제들이 사용하는 자료구조들
  • 운영체제는 프로그램들을 사용하니 이것들을 관리하기 위한 자료구조=PCB
• stack
  • 사용자 커널마다 커널 스택을 따로 둠

사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 함수(Function)
  • 사용자 정의 함수
    • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
  • 라이브러리 함수
    • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
    • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있음
• 위는 내 프로그램 안에 있는 함수
• 프로그램을 실행시키면 프로그램안에서 점프하며 실행
  • 커널 함수
    • 운영체제 프로그램의 함수
    • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜
• 시스템 콜을 통해서 함수를 호출
• 인터럽트 라인을 실행해서 호출

프로그램의 실행

• user mode
  • 프로그램 실행
• kernel mode
  • 시스템 콜 이후
• user mode
  • 시스템 콜 끝난 후
  • 자기 주소공간의 시스템 실행
• kernel mode
  • kernel의 주소공간
  • 시스템콜 이후
  • 프로그램 끝날 때까지
• a에서 cpu가 실행중이다 타이머로 인터럽트가 걸리면 커널모드로 왔다갔다 함