02. System Structure & Program Execution-2

11월 26일 in Category / OS

컴퓨터 시스템 구조, 인터럽트(Interrupt), 동기식 입출력과 비동기식 입출력, 시스템콜(System Call), DMA(Direct Memory Access), 서로 다른 입출력 명령어, 저장장치 계층 구조, 프로그램의 실행(메모리 load), 커널 주소 공간의 내용, 사용자 프로그램이 사용하는 함수, 프로그램의 실행

1. 시스템 구조

CPU는 매순간 Memory 어딘가에 올라와 있는 기계어를 처리한다.
Instruction(크기 약 4 Byte) 읽어서 실행.
(기계어를 하나 읽어오고 실행하는 일을 반복적으로 한다. Fetch & Execution)

그렇다면 메모리 위치를 어떻게 아는가?
=> Registers 중에 메모리 주소를 가르키는 Register가 존재. => Program Counter 라고 한다.

CPU는 Program Counter가 가르키는 주소에서 Instruction을 꺼내와서 실행하는 일을 반복적으로 수행한다.
Program Counter는 CPU가 하나 꺼내갔을 때, 다음 주소를 가르킨다.

Instruction을 읽어서 실행한 후,
다음 Instruction을 실행하기 전에 하는 일 => Interrupt가 들어왔는지 체크하는 일.
만약 Interrupt가 존재한다면,
Program Counter가 가르키는 주소에서 Instruction을 가져오는 것이 아니라
지금 하던 작업을 멈추고 CPU를 누가 쓰고 있었던지 제어권이 운영체제에게 넘어가게 된다.

2. 인터럽트(Interrupt)

운영체제는 인터럽트마다 무슨 인터럽트가 걸렸는지 상황에 따라 처리해야하는 일들이 커널 함수로 정의 되어있다.

• 인터럽트 벡터란?
  • 각 인터럽트 종류별로 몇번 라인의 인터럽트가 들어왔는지에 나타내는 엔트리,
  • 그 엔트리가 들어왔을 때, 메모리 어디에 있는 Instruction들을 처리해야하는가에 대한 주소,

  => 번호와 주소의 쌍을 갖고 있는 것

• 인터럽트 처리 루틴이란?
  => 해당하는 함수에 가면 CPU에서 처리해야할 함수 및 처리해야할 일들

cf) 사용자 프로그램이 무언가 입력을 받아야한다면 의도적으로 Interrupt Line을 셋팅한다.
(I/O는 운영체제 모드에서만 가능하다)
즉, 이런식으로 운영체제에게 서비스를 요청하는 것을 시스템콜이라고 한다. - 인터럽트 종류

• Interrupt(하드웨어 인터럽트) : I/O Controller, Timmer
• Trap(소프트웨어 인터럽트) : Exception, System Call

3. 동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 동기식 입출력 (Synchronous I/O)

  I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감.

• 비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)

  I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감.

4. 저장장치 계층 구조

• Primary(Excecutable)은 CPU가 직접 접근 가능함.
  ( Byte 단위로 접근이 가능하다는 뜻)
• Secondary은 CPU가 직접 접근 하지 못함.
  (Sector 단위로 접근가능)

5. 프로그램 실행 (메모리 load)

프로그램들은 실행파일로 하드디스크에 저장되어있다.
실행파일 실행시키면 메모리에 올라가는데 이것을 프로세스라 한다.

정확하게는 물리적 메모리에 바로 올라가지 않고 중간에 Virtual Memory를 거치게 된다.
프로그램을 실행시키면 프로그램의 Address Space (0번지부터 시작하는 그프로그램만의 독자적인 주소 공간)이 만들어짐.

• Stack : 함수 호출 및 리턴
• Data : 변수, 전역변수, 자료구조
• Code : 프로그램 기계어 코드

=> 사용자 프로그램은 실행시키면 만들어진 주소공간이 생기고 종료시키면 공간 사라짐.
==> 이를 물리적 메모리에 올려서 실행하는데
프로그램 전체를 물리적 메모리에 올리면 낭비이므로 당장 필요한 부분(함수)만 물리적 메모리에 올린다.
물리적 메모리 올라가지 않고 프로그램 종료시까지 보관해야하는 부분에 해당하는 나머지는 Swap Area에 올라가 있다.

• Swap Area는 물리적 메모리 용량의 한계로 메모리 연장 공간으로 사용.
  Kernel은 컴퓨터 부팅시 항상 상주해서 올라가 있음.

cf) Virtual Memory에서 주소가 1000일때,
Phsical Memory에서는 주소가 3000일 수 있음.
이렇게 변환해주는 주소변환 계층이 존재하는데 이는 OS가 아닌 HW해준다.( MMU )

6. 커널 주소 공간의 내용