[운영체제] 2. System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템 구조
메모리 : CPU 의 작업 공간 - CPU가 매 클럭마다 여기서 명령어를 읽어들임
- 사용자 프로그램 : I/O 작업을 직접 I/O Controller에게 명령할 수 없게 막혀있음. 따라서 운영체제에게 CPU더러 대신 I/O Controller에 명령을 내려달라고 부탁하며 제어권을 반납하게 됨.
CPU
- 레지스터
- 모드비트 : 사용자 모드 - 1, 커널 모드 - 0
  - 보안의 목적
  - 커널 모드 : 모든 접근 가능(사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 1로 바뀜)
  - 사용자 모드 : 제한된 접근 (인터럽트, 예외 발생시 0으로 바뀜)
- 인터럽트 라인 : 인터럽트 들어온게 있는지 확인
  - 있다면 OS로 제어권을 넘김
I/O device: device controller(작은 CPU), local buffer(작은 메모리), 레지스터
- Device Controller는 CPU로부터 명령을 받고, 명령을 모두 수행하면 인터럽트를 건다
타이머
- 특정 프로세스가 CPU를 독점하는걸 막기 위함
- 타이머 인터럽트가 걸리면 CPU제어권이 사용자에서 커널로 넘어감
DMA Controller
- CPU처럼 메모리에 접근 가능
- 메모리 컨트롤러에 의해 CPU와 동시에 접근은 못함
- I/O장치에 의해 CPU가 너무 많이 방해받는걸 방지
- I/O에서 받아온 데이타를 CPU 대신 메모리에 옮겨줌
- 그 후에 CPU에게 인터럽트를 건다
입출력의 수행
- 모든 입출력 명령은 특권 명령
- 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  - 시스템 콜
    - 사용자 프로그램이 OS의 서비스를 받기 위해 거는 인터럽트
    - 사용자 프로그램은 메모리 주소 변경을 자기 프로그램 밖에는 못함 -> OS에 직접 요청x
    - 그래서 시스템 콜 사용자 프로그램이 직접 CPU에 인터럽트를 거는것을 말함
    - 그러면 제어권이 OS로 넘어감
    - 이러한 소프트웨어 인터럽트를 트랩이라 부른다
  - 트랩을 이용해 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
    - 시스템 콜 : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
    - 예외 : 프로그램이 오류를 범한 경우
  - 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
    - 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 갖고 있음
    - 인터럽트의 처리 루틴(인터럽트 핸들러) : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
  - 올바른 I/O요청인지 확인 후 수행
  - 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김
동기식 입출력과 비동기식 입출력
동기식 입출력
- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
- 구현법 1
  - I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
  - 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
- 구현법 2
  - I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
  - I/O처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄세움
  - 다른 프로그램에게 CPU를 줌
비동기식 입출력
- I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌
DMA ( Direct Memory Access )
- 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
- CPU의 중재 없이 device controller가 device buffer의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
- 바이트 단위가 아닌 block 단위로 인터럽트를 발생시킴
서로 다른 입출력 명령어
저장 장치의 계층 구조
위로갈수록 비싸고 느리기 때문에 용량이 작음
바이트 단위로 접근이 되어야 Executable
캐싱 : 재사용 목적
프로그램의 실행
당장 필요한것만 Physical memory에 올리고 나머지는 Swap area에 둔다.
Swap area는 전원이 나가면 삭제됨 - 램의 연장공간으로 쓰는것 뿐임
주소 변환 : logical memory 주소 -> 실제 메모리 주소로 변환
사용자 프로그램이 사용하는 함수
- 사용자 정의 함수
- 라이브러리 함수
- 커널 함수
  - OS 프로그램의 함수
  - 커널 함수를 호출하는것을 시스템 콜이라고 한다