운영체제 정리: 운영체제 시스템이란?

소개

링크: https://github.com/Crazy0416/Study_Summery/blob/master/OS/chapter1.md

운영체제 시스템이란?

• 하드웨어와 응용 프로그램 사이의 중개인 역할을 하는 소프트웨어

• 운영체제의 목표

  • 사용자에게 컴퓨터에서 프로그램을 효율적이고 편리하게 실행할 수 있는 환경을 제공
  • 컴퓨터 자원의 할당. 이 할당은 공정해야 하며 효율적으로 이루어져야 함.
  • 제어 프로그램으로 사용자 프로그램의 실행을 감독하여 오류와 컴퓨터 오용을 방지하고 입출력 장치의 제어와 동작을 관리한다.

 

컴퓨터 시스템의 구조

컴퓨터 시스템의 동작

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• 현대의 범용 컴퓨터는 공유된 주기억장치에 접근을 제공하는 공통 버스에 의해 연결된 CPU와 여러 개의 장치 제어기(device controller)로 구성되어 있다.

  • 장치 제어기: 각 장치(디스크, 오디오 장치, 비디오 디스플레이)를 관리한다.

• 컴퓨터가 처음으로 구동되면 초기에 실행될 프로그램이 필요하다. 이를 부트스트랩(bootstrap)이라고 한다. 이 프로그램은 보통 컴퓨터 하드웨어(ROM) 내에 저장되어 있다.

  • 부트스트랩은 모든 하드웨어를 초기화하고 운영체제 커널을 주기억 장치에 적재한 후 커널을 실행한다.

• 컴퓨터에서 사건의 발생은 인터럽트(Interrupt) 신호 또는 트랩(Trap)을 통해 운영체제로 통보된다.

  • 인터럽트: 하드웨어 장치가 CPU의 인터럽트 라인을 세팅
  • 트랩: 소프트웨어 인터럽트라고도 하며 소프트웨어가 CPU의 인터럽트 라인을 세팅. 대표적인 예로 시스템 콜(System call), 예외 상황(Exception)이 있다.

인터럽트

1. 인터럽트의 일반적 기능

   • 인터럽트가 발생하면 CPU는 하던 일을 멈추고 인터럽트를 처리하기 위한 루틴(운영 체제 커널 내부 코드)에 들어가서 정의된 일을 찾게 된다. 운영 체제는 할 일을 쉽게 찾아가기 위해 인터럽트 벡터(interrupt vector)를 가지고 있다. 인터럽트 벡터란 인터럽트 종류마다 번호를 정해서, 번호에 따라 처리해야 할 코드가 위치한 부분을 포인터로 가리키고 있는 자료 구조이다.
   • 인터럽트 서비스 루틴을 통해 해당하는 인터럽트를 처리하고 나면 원래 수행하던 작업으로 돌아가 정지되었던 일을 계속해서 수행한다. 인터럽트 처리 후 되돌아갈 위치를 알아야 하므로 인터럽트 처리 전에 수행 중이던 작업이 무엇이었는지 반드시 저장해 두어야 한다.

2. 인터럽트 처리 루틴

   1. 장치가 인터럽트 신호를 보냄
   2. CPU는 현재 작업 중이던 명령을 멈춘 뒤 커널 모드로 바뀐 후 현재 PC(Program counter)와 다른 상태를 커널 스택에 저장한다.
   3. CPU는 벡터 테이블에서 인터럽트 벡터를 fetch한 뒤 그 주소로 분기한다.
   4. 인터럽트 루틴은 장치 데이터베이스를 검사하고 인터럽트가 요구한 명령을 수행합니다.
   5. 인터럽트 핸들러가 명령을 완료하고 이전 상태를 복구하고 유저 모드로 복귀합니다. (혹은 스케줄러에게 다른 프로그램으로 전환하도록 요청)

I/O 구조

• 장치 제어기에 따라 하나 이상의 장치가 제어기에 연결될 수 있다.
• 장치 제어기는 로컬 버퍼와 몇가지 특수 레지스터를 유지한다.
• 장치 제어기는 연결된 주변장치와 로컬 버퍼간의 데이터 이동을 책임진다. 버퍼 크기는 주변 장치에 따라 다르다.

1. I/O 인터럽트

   • I/O를 시작하기 위해 CPU는 장치 제어기 내에 있는 레지스터에 적절한 데이터를 적재한다. 제어기는 이것을 검사하여 어떤 행동을 취할지 결정한다. 입출력의 수행이 끝나면 보통 인터럽트를 통해 CPU에 그 사실을 통보한다.

   • 입출력의 두 가지 형태

     • 동기식 입출력(Synchronous I/O): 입출력이 시작되면 요청한 프로세서는 입출력이 완료될 때까지 기다린다.
     • 비동기식 입출력(Asynchronous I/O): 요청한 프로세서는 입출력이 완료될 때까지 기다리지 않고 계속 다른 작업을 수행한다.

2. I/O 방식

   • 직접 I/O 방식: 주기억 장치와 장치 제어기 간의 데이터 전송을 CPU가 직접 책임지는 방식(ex. 폴링 방식)
   • 간접 I/O 방식: CPU가 직접 입출력을 담당하지 않고 인터럽트를 사용하여 전용 입출력 프로세서인 DMA나 채널을 이용하는 방식

3. DMA 구조

   • 장치 제어기는 데이터 블록을 CPU의 관여 없이 직접 주기억 장치로 이동하며, 인터럽트는 바이트 단위가 아닌 블록 단위로 발생한다.
   • 입출력 명령을 만나면 CPU는 DMA에게 입출력 명령을 내린 후 다른 프로그램을 수행.
   • DMA는 자동으로 입출력 처리하고 완료시 CPU에게 인터럽트로 완료 사실을 보고.

저장 장치의 구조

• 주기억 장치와 보조기억 장치로 구분

• 주기억 장치 용도

  • 프로그램 실행 용도

• 보조기억 장치:

  • 파일 시스템
  • 메모리 연장 공간인 스왑용

1. 저장 장치의 계층 구조

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2. 캐싱

   • CPU가 데이터를 필요하면 먼저 캐시에 그 데이터가 있는 지 검사한다. 만약 있으면 캐시에서 바로 사용하고 없으면 메인 메모리에 있는 데이터를 사용하지만 이 데이터의 복사본을 캐시에 보관한다. 이것은 이 데이터를 곧 또 다시 사용할 확률이 높기 때문이다.

 

하드웨어 보호

• 다중 프로그래밍 환경에서는 하나의 프로세스의 오류가 다른 프로세스에게도 영향을 줄 수 있다.
• 따라서 운영체제는 이런 오류가 다른 프로세스에 영향을 주지 않도록 해야 한다.
• 보통, 오류가 발생하면 하드웨어는 트랩을 발생하며, 운영체제는 트랩을 발생시킨 프로세스를 강제로 종료시키고 적절한 오류 메세지를 출력한다.

1. 이중모드 동작

   • 여러 오류로부터 프로세스를 보호하기 위해 두 가지 동작 모드를 제공한다. 현재 모드를 나타내기 위해 하드웨어에 이것을 나타내는 모드 비트(mode bit)가 있다.

     • 사용자 모드: 사용자 프로세스는 이 모드에서 수행되다가 인터럽트나 트랩이 발생하면 모니터 모드로 전환된다.
     • 모니터 모드: 다른 말로 슈퍼바이저(supervisor) 모드, 시스템 모드, 특권(privileged) 모드라 한다.

   • 문제를 일으킬 소지가 있는 명령어는 특권 명령으로 분류하고 이 명령은 모니터 모드(특권 모드, 슈퍼바이저 모드)에서만 수행되도록 하여 프로세스를 보호한다.

   • 사용자는 운영체제만이 수행할 수 있는 특권 명령의 수행을 부탁하여 운영체제와 상호작용한다. 이런 요청을 보통 시스템 콜(system call)이라 하며, 하드웨어는 이런 시스템 콜을 소프트웨어 인터럽트(트랩)로 간주한다.

2. 입출력 보호

   • 사용자가 불법적인 입출력 요청을 할 수 없도록 모든 입출력 명령은 특권 명령으로 분류한다.

3. 주기억장치 보호

   • 주기억 장치 영역은 사용자 프로그램으로부터 보호되어야 하며, 사용자 프로그램이 사용하는 주기억장치 영역은 다른 사용자 프로그램으로부터 보호되어야 한다.
   • 주기억장치를 보호하기 위해서는 특정 프로그램이 접근할 수 있는 주기억장치 영역을 결저할 수 있어야 한다. 보통 기준 레지스터(base register)와 한계 레지스터(limit register)를 이용하여 영역을 나타낸다.
   • 사용자 프로그램은 기준 레지스터에 있는 주소 ~ 한계 레지스터 값 사이의 주소 영역만 접근 가능

4. CPU 보호

   • 운영체제가 항상 제어권을 확보할 수 있도록 해야 한다. 사용자 프로그램이 무한루프에 빠져 제어권을 다시 운영체제에 넘기지 않을 수 있다.
   • 이 문제를 해결하기 위해 타이머를 사용한다. 일정 시간이 경과되면 타이머는 인터럽트를 발생하여 운영체제에 제어권을 넘긴다.