System Structure & Program Execution

System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템 구조

간략한 구조

상세 구조

Divice Controller

• 각각의 I/O device에는 작은 CPU와 같은 역할을 하는 device controller가 붙어있어 Dist와 각 device를 controll한다.
• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
• device driver (장치 구동기)
  • OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> software
• device controller (장치제어기)
  • 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware

Local Buffer

• 메인 CPU의 작업공간인 Memory와 같이 각 I/O device에도 local buffer가 있다.
• CPU에서 받은 요청을 자체적으로 수행할 수 있도록 해준다.
• 프로그램이 요청한 일을 완료하면 CPU로 interrupt를 걸어줘서 알려준다.

CPU

• Registers

  • memory 보다 빠르면서 정보를 저장할 수 있는 작은 공간

• mode bit

  • CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지 구분

  • 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요

  • 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

    1 사용자 모드: 사용자 프로그램 수행(제한된 수행)
    0 모니터 모드*: OS 코드 수행

    • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 특권명령으로 규정
    • Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
    • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

• Interrupt line

timer

• 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막음 (ex. 무한루프)
• 프로그램이 실행될 때 timer에 시간 제한을 걸어두고 시간이 다 되었을 때 timer에서 CPU로 interrupt를 걸어준다.
• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
• 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

Memory controller

• 동시에 같은 메모리에 접근 할 수 없게 막아줌

DMA controller (direct Memory Access)

• I/O 장치의 Interrupt로 인해 CPU가 방해받는 것을 막아줌
• I/O 장치에서 처리를 완료하면 DMA controller가 메모리에 접근해서 메모리에 저장까지 해준다. (CPU에서 처리할 일을 줄여준다)

입출력(I/O)의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
  • 시스템콜(system call)
    • 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 하는 것
    • 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
    • 사용자 프로그램이 CPU로 Interrupt 요청을 보낸다
  • 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

인터럽트 (Interrupt)

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다.

인터럽트

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

Interrupt (넓은 의미)

• Interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
• Trap (소프트웨어 인터럽트)
  • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
  • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 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