02-1. 시스템 구조와 프로그램 실행

이화여자대학교 (반효경, 2014) - 운영체제

 

이번 챕터는 컴퓨터 시스템에서 하드웨어가 어떻게 동작하고 프로그램들이 하드웨어 위에서 어떻게 돌아가는지 설명하는 것이 목표이다.

 

컴퓨터 시스템 구조

- Computer [CPU, Memory]

- I/O Device [Disk, Keyboard, Printer, Monitor]

 

컴퓨터 시스템 구조

 

메모리는 CPU의 작업 공간이다. CPU는 매 쿨럭마다 메모리에서 기계어를 하나씩 읽어 실행한다. I/O 디바이스들은 별개의 디바이스들이다. 키보드, 마우스 같은 것은 두드리면 전기 신호가 들어가므로 input device, 프린터 같은 것은 결과를 출력하므로 output device이다. Disk는 input/output device 역할을 둘 다 수행한다.

 

i/o device는 각각의 디바이스들을 전담하는 작은 CPU 같은 것이 붙어있는데, 이를 Device Controller라고 한다. 각 i/o device의 동작에는 Device Controller가 작동함. CPU한테 메모리가 필요하듯이 작은 CPU들도 메모리가 필요하다. 이를 local buffer라고 한다.

 

CPU와 I/O Device의 경우 처리 속도가 상당히 차이난다. 그래서 CPU가 직접 해당 디바이스를 작동시키지 않고 Device Controller가 담당하는 것이다. CPU는 그저 메모리에 있는 기계어를 쿨럭마다 실행하는 것만 한다. CPU안에는 메모리보다 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 '레지스터' 라는 것이 있다.

 

mode bit도 있는데, 이는 CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지를 구분해준다. 아까 설명했듯이 CPU는 메모리에 있는 명령어를 한줄한줄 가져와 실행하는데, 실행 도중에 만약 키보드를 입력했다던지 디스크에서 어떤 파일을 읽어야 한다면 CPU가 이를 어떻게 아느냐? 바로 그것을 전달하는게 interrupt line이다.

 

CPU가 직접 i/o device에 접근하는 것은 아니고 device controller에게 이를 처리하라고 요청한다. 그럼 device controller가 이를 처리하면서 로컬 버퍼를 활용한다. 이 과정에서 CPU는 노는 것이 아니라 그 이후의 명령어를 처리한다. 키보드 입력을 받아야 어떤 이후의 작업을 할 수 있으면 다른 프로그램의 명령어를 실행하는 작업을 한다. 이처럼 i/o device에 접근할 때, 프로그램이 종료될 때 CPU가 다음 프로그램을 실행하면 무한루프의 프로그램이 실행되면 다른 프로그램들은 실행을 못할까?

 

이는 그림 속 timer라는 장치를 통해 일정한 시간마다 프로그램이 CPU를 독점하지 못하도록 하여 해결한다. CPU는 명령어 실행마다 interrupt line을 먼저 확인하여 인터럽트가 온 것을 확인하는데, 시간이 끝나면 timer는 CPU에게 인터럽트를 건다. 그럼 CPU는 interrupt line을 확인하여 하던 일을 멈추고 운영체제에게 CPU 권한이 넘어가게 되는데, 그럼 운영체제는 다음 프로그램을 실행하도록 한다.

 

즉, CPU의 자원 분배를 타이머와 운영체제가 서로 협력하며 수행한다.

이와 반대로 무한루프가 아닌 I/O 장치에 접근해야하는 코드가 있는 경우 해당 프로그램이 운영체제에게 I/O 장치에 접근하고 싶다는 요청을 보낸다. 즉, 스스로 CPU를 운영체제에게 넘긴다. 그럼 운영체제가 해당 작업을 device controller에게 넘긴다. 그 후 Device Controller가 요청한 작업이 끝나면 CPU에게 interrupt를 건다. CPU는 다시 interrupt line을 보고 그 값을 요청한 프로그램 메모리에 셋팅을 해준다.

 

mode bit이라는 것은 CPU를 사용자가 가지고 있는지 운영체제가 가지고 있는지 알려주는 비트이다.

0 : 커널 모드 (운영체제가 CPU를 점유)

1 : 사용자 모드 (사용자가 CPU를 점유)

 

커널 모드에서는 모든 명령어를 실행할 수 있도록 되어있지만, 사용자 모드에서는 제한된 명령어만 실행할 수 있도록 되어있다. 운영체제가 사용자 프로그램에 CPU를 넘겨줄 때 이 비트를 1로 만들어 넘기고, 사용자가 I/O 장치에 접근하거나 메모리에 접근할려고하면 이 비트를 보고 막는다. 인터럽트를 통해 운영체제에게 CPU가 넘어가면 하드웨어가 이를 다시 0으로 만든다.

 

이렇게 이중 모드는 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치이다.

 

 

Timer

정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킨다.

 

- 매 쿨럭마다 1씩 감소하고 0이 되면 타이머 인터럽트가 발생한다.

 

 

Device Controller

- i/o 장치유형을 관리하는 일종의 작은 cpu

- 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐 (CPU가 시킨 일에 대한 제어 명령을 담음)

- 메모리도 동일하게 memory controller가 있다.

 

- device driver : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> software

   - 이는 OS가 직접 장치의 접근을 하는 것에 대한 software가 아니고 OS에서 device controller에게 이러한 작업을 시킬 수 있도록 하는 코드이다.

   - device controller는 disk 안에 펌웨어를 통해 직접 i/o 장치를 제어한다.

 

 

근데 생각해보면 컴퓨터에는 수많은 장치가 연결되어 인터럽트를 발생시키면 CPU는 이를 처리하느라 본업을 하지 못하는 것은 아닐까? 그래서 DMA(Direct Memory Access) Controller 라는 것이 존재한다. 원래는 메모리에 접근할 수 있는게 CPU만 있었지만 DMA 또한 메모리에 접근할 수 있다. 이때 두 개의 컨트롤러 CPU, DMA가 메모리에 접근하면 문제가 생길 수 있는데 이를 Memory Controller가 중재한다.

 

DMA의 역할은 i/o 장치에게 온 인터럽트에 대한 작업을 처리해준다. 즉, device controller가 작업을 끝내고 local buffer에 저장되어 있는 내용을 넘기면 이를 DMA가 보고 메모리에 접근해서 저장까지 다 해준 후에 CPU에게 작업이 끝났다는 한 번의 인터럽트로 알려준다.

 

 

사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?

- 시스템 콜(System call)

   - 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청 (운영체제의 커널 함수 호출)

   - 직접 OS에 해당하는 메모리 주소로 점프하는 것이 아님

   - interrupt line을 셋팅하는 명령어를 수행하여 운영체제에게 CPU를 넘김

 

 

인터럽트 (Interrupt)

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

 

- 하드웨어 인터럽트 (interrupt) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트

- 소프트웨어 인터럽트 (trap)

   - Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우

   - System call : 프로그램이 커널 함수를 호출한 경우

 

인터럽트 관련 용어

- 인터럽트 벡터

   - 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음

- 인터럽트 처리 루틴 (=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)

   - 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수