[Operating System] 컴퓨터 시스템의 개요
🚀 컴퓨터 시스템의 개요
1️⃣ 컴퓨터 시스템의 구조
컴퓨터는 (I/O)
외부장치 –> 내부장치 데이터 읽기. ( InPut )
내부장치 — 각종 연산 수행.
내부장치 —> 외부장치 데이터 내보내기. ( OutPut )
의 과정을 수행 한다.
CPU를 제외한 각 하드웨어 장치에는 컨트롤러(Controller)와 로컬버퍼(Local Buffer)라는 것이 있다.
CPU가 각 장치의 로컬버퍼를 일일이 확인하는 것이 아니다.
각 장치의 컨트롤러가 장치의 로컬버퍼를 관리하고 CPU를 필요로 할 때 인터럽트를 발생시키는 것이다.
2️⃣ 인터럽트
CPU 는 매시점 메모리에서 명령(Instruction)을 하나씩 읽어 와서 수행.
다른 장치에 있는 컨트롤러가 CPU서비스가 필요할 때!! 인트럽트 발생!!
인터럽트(Interrupt) : CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어등의 장치에서 예외상황이 발생하여 처리가 필요한 경우 CPU에 알려 처리 할 수 있도록 하는 것.
CPU는 명령(Instruction)하나를 수행할 때마다 인트럽트가 발생했는지 확인한다.
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하드웨어 인터럽트 :
하드웨어가 발생시키는 인터럽트이다. CPU외부 디스크 컨트롤러나 주변장치로 부터 요구되는 것. (기계검사 인터럽트, 외부인터럽트, 입출력 인터럽트, 프로그램검사 인터럽트)
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소프트웨어 인터럽트 (Trap, Exception) :
CPU 내부에서 자신이 실행한 명령이나 CPU의 명령 실행에 관련된 모듈이 변환하는 경우 발생.( 잘못된 메모리접근, Division by zero, 시스템 콜 )
인터럽트 라인(Interrupt Line) : CPU옆에 있어서 CPU에 신호를 보냄.
인터럽트 벡터(Interrupt Vector) : 인트럽트 종류마다 번호를 정해서, 번호에 따라 처리해야할 코드가 위치한 부분(인트럽트 처리 루틴, 인트럽트 핸들러)을 가르키고 있는 자료구조.
인터럽트 핸들링(Interrupt Handling) : 인터럽트가 발생한 경우 처리해야할 절차.
- 프로세스 제어 블록( Process Control Block : PCB)
인터럽트가 동작 중이던 프로세스의 정보가 CPU의 레지스터에서 지워지게 된다. 그럼 인터럽트 해결 하고 난 후 다시 처음부터 프로세스를 진행해야한다. 이 문제를 해결하기 위해 운영체제는 현재 시스템 내에서 실행되는 프로그램들을 관리하기 위해 프로세스 제어 블록(PCB)이라는 자료구조를 둔다. 실행중이던 프로그램의 코드 메모리주소와 레지스터값, 하드웨어 상태 등을 저장한다.
PCB(Process Controll Block) - 프로세스 문맥 교환
오늘날의 운영체제는 인트럽트 발생할 때에만 운영체제 코드 부분으로 CPU가 이양되어 인터럽트 처리를 수행하게 된다. 운영체제가 직접 CPU를 점유하는 경우는 인터럽트에 의하지 않고는 발생하지 않음.
3️⃣ 입출력 구조
동기식 입출력( Synchronous I/O ) : 프로그램이 I/O요청을 했을 때, I/O 작업이 완료되어야 다음 작업을 할 수 있는 방식.
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진행 순서
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사용자 프로그램 I/O 요청 (직접 I/O 불가)
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운영체제의 커널을 통해 Device Controller에게 I/O 요청.
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입출력을 요청한 프로세스(Requesting Process) –> 봉쇄상태(Block State)로 바꾸어 입출력이 완료 될 때까지 CPU를 할당 받지 못하게 한다.
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I/O 작업 완료 후 Device Controller가 CPU에 인터럽트.
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프로세스(Requestin Process)의 봉쇄상태(Block State)를 해제하여 CPU를 할당 받을 수 있는 권한이 생김.
💡Blocking State : 곧바로 작업을 수행할 수 있는 프로그램에게 CPU를 할당.
Non-Blocking State : CPU가 입출력 연산이 끝날 때까지 아무 일도 할 수 없음.
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단점
CPU의 속도 »» 외부 장치에서 데이터 읽어오는 속도
따라서 입출력이 완료될 때 까지 CPU는 아무 일을 하지 못하기 때문에 자원 낭비.
비동기식 입출력( Asynchronous I/O ) : 프로그램이 I/O요청을 했을 때, I/O작업을 기다리지 않고 CPU를 다음 작업에 넘겨주는 방식.
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진행 순서
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사용자 프로그램 I/O 요청 (직접 I/O 불가)
- 운영체제의 커널을 통해 Device Controller에게 I/O 요청.
- 요청한 프로세스(Requesting Process)에게 CPU를 곧바로 줘서 다른 작업을 수행한다.
- I/O 작업 완료 후 Device Controller가 CPU에 인터럽트를 건다.
- 읽어온 데이터를 필요로 하는 명령을 수행할 수 있게 된다.
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4️⃣ DMA
원칙적으로 메모리(Memory)는 CPU에 의해서만 접근할 수 있는 장치이다.
메모리 데이터에 접근하기 위해서는 CPU에 인터럽트를 발생 시켜 이를 대행하게 해야함.
하지만 입출력장치가 메모리접근을 위해서 CPU에 너무 잦은 인터럽트를 발생시키면 CPU의 효율이 떨어짐.
이를 해결하기 위한 것이 “DMA”
DMA( Direct Memory Access ) : 메모리 버퍼, 포인터, 카운터를 사용하여 장치 제어기가 CPU도움이 없이 데이터를 직접 메모리로 전송하는 입출력 방식. (하나의 Controller 이다.)
바이트(Byte)단위가 아닌 블록(Block)이라는 큰 단위 정보로 메모리로 읽어온 후 CPU에게 인터럽트. 인터럽트의 빈도를 줄여 CPU가 조금더 효율적으로 움직일 수 있게 함.
5️⃣ 저장장치의 계층구조
[ 주기억 장치 ]
휘발성, 빠르다, 비싸다.
레지스터( Register ) : 컴퓨터에서 제일 빠른 메모리. 프로세서에 위치한 고속 메모리
캐시 메모리( Cashe Memory ) : 레지스터 다음으로 빠른 메모리, CPU 내부에 존재한다. 가장 자주 사용되는 데이터를 복사해와 CPU의 메모리 접근 시간을 줄여줌. CPU와 주기억장치간의 속도 차이로 인한 성능 저하를 막기 위해 사용.
메인 메모리( Main Memory ) : CPU에서 직접 전근이 가능한 메모리이다. 캐시에 비하면 훨씬 느리지만 HDD와 SSD에 비하면 훨씬 빠르다.
[ 보조 기억 장치 ]
비휘발성, 느리다, 싸다. 파일 시스템 용(File System), 스왑 영역(Swap Area)을 제공.
마그네틱 디스크( Register ) : HDD
광 디스크( Cashe Memory ) : CD
마그네틱 테이프( Main Memory ) : 카세트 테이프
6️⃣ 보안
하드웨어 보안
운영체제는 기본적으로
다중 프로그래밍( Multi-Programming ) 환경에서 각 프로그램간의 충돌을 막기 위해
하드웨어적인 보안이 필요하다.
커널모드(Kernel Mode), 사용자모드(User Mode)를 지원한다.
커널모드(Kernel Mode) : 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 운영체제 코드를 실행하는 모드
- 모든 자원(드라이버, 메모리, CPU)에 접근 명령을 내릴 수 있다.
- 다른 프로그램이 메모리 영역이나 파일 영역을 침범을 방지 한다.
사용자모드(User Mode) : 일반 사용자 프로그램이 실행되고, 제한적인 명령을 수행하는 모드
- 사용자 모드는 직접 시스템에 중요한 영향을 미치는 연산 수행 불가능.( 특권 명령 수행 불가능 )
모드비트(Mode Bit) : 사실상 사용자 모드에서 시스템에 중요한 명령(특권 명령)을 하면 그만이다. 물리적으로 이를 구분해 줄 하드웨어적인 장치가 필요하다. (사용자모드와 커널모드를 구분해주는 하드웨어적인 장치가 있어야 함.)
그것이 “모드비트”이다.
모드비트 0 : 커널모드
모드비트 1 : 사용자모드
특권명령 : 시스템 보안과 관련된 명령어들, 즉 모드비트가 0 일 때만 수행 가능하다.
예시로는 입출력 명령이 있다.
사용자프로그램이 디스크에 직접 접근하는 것은 보안상 문제가 있을 수 있다.
따라서 모드비트를 0으로 바꾸고 운영체제가 입출력명령(특권 명령)을 대신 수행하도록 부탁해야한다. (시스템 콜)
메모리 보안
다른 사용자 프로그램이 커널이 위치한 메모리영역에 접근 하려할 수 도 있다. 특히나 인터럽트 벡터와 인터럽트 처리루틴이 있는 곳의 메모리는 더욱이 보안이 철저해야한다.
이를 위해 메모리에 기준 레지스터(Base Register)와 한계 레지스터(Limit Register)를 두고 있다.
기준 레지스터(Base Register) : 프로그램의 시작 주소를 저장.
한계 레지스터(Limit Register) : 프로그램의 길이를 저장.
사용자 프로그램은 기준 레지스터에 저장된 시작 주소부터 한계 레지스터에 저장된 주소의 길이 만큼만 접근이 가능하다. 만약 이 범위 밖의 주소를 접근하려하면 예외사항이라는 소프트웨어 인터럽트발생. CPU의 제어권은 운영체제로 옮겨가고, 프로그램은 강제로 종료된다.
기준 레지스터와 한계 레지스터를 사용자 프로그램이 직접 정할 수 있으면 아무 의미가 없음으로 다음 레지스터들의 값을 세팅하는 연산은 특권명령으로 규정되고 있다.
CPU 보호
특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막기 위해 타이머(Timer)라는 하드웨어를 사용한다.
타이머(Timer) : 정해진 시간이 지나고 나면 인터럽트를 발생시켜 운영체제에 CPU 제어권을 넘겨줌. 운영체제는 인터럽트 처리루틴에 의하여 CPU를 다른 프로그램에게 이양시켜줌.
타이머는 매 클럭 틱때마다 1씩감소한다. 타이머가 0이 되는 순간 인터럽트 발생.
로드 타이머(Load Timer) : 타이머의 값을 세팅하는 명령. (특권 명령)
[ 참 고 ]
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