System Structure, Program Execution

컴퓨터 시스템 구조

• mode bit
  • 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
  • 0
    • 운영체제가 CPU를 가지고 있음
    • 모든 인스트럭션 수행 가능
  • 1
    • 사용자 프로그램이 CPU를 가지고 있음
    • 한정된 인스턱션만 수행 가능
• timer
  • 특정 프로그램이 CPU 독점 막기위해 이게 필요
  • 정해진 시간 흐른 뒤 운영체제에게 제어권 넘어가도록 interrupt 발생시킴
  • 매 클럭마다 1씨 감소
  • 타이머 값이 0 이 되면 언터럽트 발생
  • time sharing 구현 위해 널리 이용
• device controller
  • IO 장치 전담하는 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐 (일종의 data register)
  • IO는 실제 deivce 와 local buffer 사이에서 일어남
  • IO가 끝나면 인터럽트로 CPU에 그 사실을 알림
  • device driver : OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 (소프트웨어)
  • divce controller : 각 장치를 통제하는 작은 CPU (하드웨어)
• DMA controller
  • 직접 메모리에 접근할 수 있는 컨트롤러
  • IO 장치가 인터럽트 너무 많이 거니까 CPU가 너무 많이 방해 받아서 DMA controller가 필요
  • CPU의 중재 없이 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송

I/O

• 운영체제를 통해서 함
• 사용자 프로그램은 I/O를 어덯게?
  • system call을 함 (운영체제의 함수를 호출)
  • 인터럽트를 직접 걸어서(trap) mode bit이 0으로 바껴

동기식 입출력과 비동기식 입출력

• 두 경우 모두 io 완료는 인터럽트로알려줌
• syncronous I/O
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료 된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어감
  • 구현 방법 1
    • io가 긑날떄 까지 cpu낭비
    • 매시점 하나의 io만 일어남
  • 구현 방법2
    • io가 완료될때까지 해당 프로그램에게서 cpu를 빼앗음
    • io 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
    • 다른 프로그램에게 cpu를 줌
• asyncronous I/O
  • I/O가 시작된후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에게 즉시 넘어감

Interrupt

• 인터럽트 당한 시점의 레티스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
• 인터럽트 : 하드웨어가 발생 시킨 인터럽트
• trap : 소프트웨어 인터럽트
  • Eception : 프로그램이 오류를 범함
  • System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• 인터럽트 백터
  • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
• 인터럽트 처리 루틴 (인터럽트 핸들러)
  • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

System call

• 사용자 프로글매이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 하는 것
• 사용자 프로그램이 의도적으로 인터럽트 라인 세팅하면, CPU는 하던일을 멈추고 CPU의 제어권이 사용자 프로그램에서 운영체제에게 넘어감

프로그램의 실행

• vitual memory
  • 프로그램 실행 시키면 각 프로그램의 주소 공간이 만들어짐
• pysical memory
  • 커널은 항상 상주
  • 당장 필요한 것만 올려둠
• swap area
  • 메모리의 연장 공간으로 사용
• address tranlation
  • virtial memory의 주소가 물리주소로 바뀜

커널 주소 공간의 내용

• code
• data
  • 하드웨어를 관리하기 위한 자료구조를 가지고 잇음
  • 각 프로그램들을 관리하기 위한 자료구조를 가지고 잇음
• stack
  • 함수를 호출하거나 할때 스택을 사용

사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 함수
  • 사용자 정의 함수
    • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
  • 라이브러리 함수
    • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
    • 자신의 프로그램 실행 파일에 포함되어 있음
  • 커널 함수
    • 운영체제 프로그램의 함수
    • 커널 함수의 호출 == 시스템 콜

프로그램의 실행

시스템 콜을 하면 커널 모드가 되고, 시스템 콜 끝나면 다시 A가 cpu 제어권을 가짐

프로그램이 실행되기 위한 메모리 구조

프로그램이 운영체제로부터 할당받는 대표적인 메모리 공간은 코드, 데이터, 스텍, 힙 영역입니다.

• 코드
  실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역입니다. 여기서 코드란, 컴파일된 기계어 코드입니다. CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리하게 됩니다.
• 데이터
  프로그램의 전역 변수와 정적(static) 변수가 저장되는 영역입니다. 데이터 영역은 프로그램의 시작과 함께 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸합니다.
• 스택
  함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역입니다.스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸합니다.
• 힙
  힙 영역은 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제됩니다.

reference

이화여자대학교 반효경 (http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323)