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4장__프로그램의_구조와_실행.md

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4장 프로그램의 구조와 실행


4-1 🍂 프로그램의 구조와 인터럽트　mihykim

문제1. 프로그램의 구조

  • 보기에서 알맞은 단어를 골라 빈 칸을 채워주세요 (보기 중 택 1) 
    한숨, 함수, 명명(naming), 명령(instruction), 띠로리, 메모리
    • 컴퓨터 프로그램은 어떠한 프로그래밍 언어로 작성되었던 그 내부구조는 ㅇㅇ들로 구성된다.
    • 프로그램이 CPU에서 ㅇㅇ을 수행하려면, 이를 담고 있는 프로그램의 주소공간이 ㅇㅇㅇ에 올라가 있어야 한다.
    • 이때 프로그램의 주소공간은 크게 코드/데이터/스택으로 구분된다.

문제2. 주소공간의 구분

  • 다음 그림을 참조하여 빈 칸에 들어갈 적절한 주소영역의 이름을 적어주세요 (단답형)

    • 전역변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 부분 : 　　　영역
    • 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령형태로 변환되어 저장되는 부분 : 　　　영역
    • 함수가 호출될 때 호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시로 저장하는데 사용되는 공간 : 　　　영역

문제3. 스택 vs 큐

  • 다음 설명을 참고하여, 문제상황에 더 어울리는 자료구조를 골라주세요 (양자택일) 
    ▶ 스택(stack) ◀ 은 데이터의 삽입과 삭제가 한쪽 방향에서만 일어나는 자료구조입니다.
'쌓아올린 더미'라는 뜻이기도 합니다.

가장 나중에 삽입된 데이터가 가장 먼저 삭제되어,
선입후출(FILO First-In Last-Out) 또는 후입선출(LIFO Last-In First-Out) 원칙을 따릅니다.


▶ 큐(queue) ◀ 는 한쪽에서는 데이터 삽입만 반대쪽에서는 데이터 삭제만 일어나는 자료구조입니다.
'일렬로 늘어선 사람들로 이루어진 줄'이라는 뜻이기도 합니다.

가장 먼저 삽입된 데이터가 가장 먼저 삭제되어,
선입선출(FIFO First-In First-Out) 원칙을 따릅니다.

  • 문제상황
    • 선반에서 쌓여있는 접시 꺼내기 : 스택 / 큐
    • 프린터에 보내진 출력 작업 : 스택 / 큐
    • 주기억장치(main memory)나 레지스터(register)의 일부를 할당하여 사용하는 임시기억장치(데이터를 일시적으로 겹쳐 쌓아두었다가 필요할 때 꺼내서 사용) : 스택 / 큐
    • 문서 프로그램에서 실행취소(ctrl+z) : 스택 / 큐
    • 은행의 번호표 시스템 : 스택 / 큐
    • C언어에서 지역변수, 매개변수가 저장되는 메모리(변수 선언시 할당되고 함수 종료 시 자동으로 해제되는 자동메모리) : 스택 / 큐
    • 운영체제의 작업큐(버퍼큐 및 스케줄링큐) : 스택 / 큐
    • 편의점/마켓의 제품진열법 : 스택 / 큐
    • 브라우저에서 뒤로가기 : 스택 / 큐
    • 일방 통행도로에서 교통신호를 기다리는 자동차 : 스택 / 큐

문제4. 함수 호출 vs 인터럽트 동작

  • 아래의 설명을 읽고 빈 칸에 들어갈 적절한 단어를 적어주세요. (단답식)
    • 함수의 호출과 인터럽트의 동작은 그 원리가 서로 비슷합니다.
    • 함수가 호출될 경우, CPU는 순차적으로 명령을 수행하다가 호출된 함수의 위치로 점프해서 새로운 위치의 명령을 실행합니다. 호출된 함수를 모두 수행하고 나면, 원래 함수가 수행되던 위치로 돌아가는데 이 복귀 주소는 ㅇㅇ ㅇㅇ에 저장되어 있습니다.
    • 인터럽트가 발생하면 운영체제 내부 코드인 인터럽트 처리루틴으로 넘어가서 인터럽트 처리합니다. 인터럽트를 처리하고 나면, 원래 수행하던 일을 재개하는데 이 주소는 ㅇㅇㅇㅇ ㅇㅇㅇㅇ(ㅇㅇㅇ)에 저장되어 있습니다.
📄 답지

문제1. 프로그램의 구조

  • 보기에서 알맞은 단어를 골라 빈 칸을 채워주세요 (택 1)
    • 컴퓨터 프로그램은 어떠한 프로그래밍 언어로 작성되었던 그 내부구조는 함수들로 구성된다.
    • 프로그램이 CPU에서 명령(instruction)을 수행하려면, 이를 담고 있는 프로그램의 주소공간이 메모리에 올라가 있어야 한다.
    • 이때 프로그램의 주소공간은 크게 코드/데이터/스택으로 구분된다.

문제2. 주소공간의 구분

  • 다음 그림을 참조하여 빈 칸에 들어갈 적절한 주소영역의 이름을 적어주세요 (단답형)
    • 전역변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 부분 : 데이터영역
    • 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령형태로 변환되어 저장되는 부분 : 코드영역
    • 함수가 호출될 때 호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시로 저장하는데 사용되는 공간 : 스택영역

문제3. 스택 vs 큐

  • 다음 설명을 참고하여, 스택과 큐 둘 중 주어지는 상황에 더 적절한 것을 골라주세요 (택 1)
    • 문제상황
      • 선반에서 쌓여있는 접시 꺼내기 : 스택
      • 프린터에 보내진 출력 작업 : 큐
      • 주기억장치(main memory)나 레지스터(register)의 일부를 할당하여 사용하는 임시기억장치(데이터를 일시적으로 겹쳐 쌓아두었다가 필요할 때 꺼내서 사용) : 스택
      • 문서 프로그램에서 실행취소(ctrl+z) : 스택
      • 은행의 번호표 시스템 : 큐
      • C언어에서 지역변수, 매개변수가 저장되는 메모리(변수 선언시 할당되고 함수 종료 시 자동으로 해제되는 자동메모리) : 스택
      • 운영체제의 작업큐(버퍼큐 및 스케줄링큐) : 큐
      • 편의점/마켓의 제품진열법 : 큐
      • 브라우저에서 뒤로가기 : 스택
      • 일방 통행도로에서 교통신호를 기다리는 자동차 : 큐

문제4. 함수 호출 vs 인터럽트 동작

  • 아래의 설명을 읽고 빈 칸에 들어갈 적절한 단어를 적어주세요. (단답식)
    • 함수의 호출과 인터럽트의 동작은 그 원리가 서로 비슷합니다.
    • 함수가 호출될 경우, CPU는 순차적으로 명령을 수행하다가 호출된 함수의 위치로 점프해서 새로운 위치의 명령을 실행합니다. 호출된 함수를 모두 수행하고 나면, 원래 함수가 수행되던 위치로 돌아가는데 이 복귀 주소는 스택 영역에 저장되어 있습니다.
    • 인터럽트가 발생하면 운영체제 내부 코드인 인터럽트 처리루틴으로 넘어가서 인터럽트 처리합니다. 인터럽트를 처리하고 나면, 원래 수행하던 일을 재개하는데 이 주소는 프로세스 제어블록(PCB)에 저장되어 있습니다.


4-2 🍂 컴퓨터 시스템의 작동 개요 　daelee

  1. 보기를 참고해 빈칸을 채워주세요.

    로컬 버퍼, 커널, 타이머, DMA 컨트롤러, 입출력 컨트롤러, 사용자, 모드비트, 로컬 버터, 프로그램 카운터, 유저, 디스크

    • CPU는 매 시점 메모리의 특정 주소에 존재하는 명령을 하나씩 읽어와 그대로 실행할 뿐이다. 이때 CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고있는 레지스터를 ________라고 부른다.

    • 컴퓨터를 구성하는 하드웨어로는 CPU와 메모리가 있고, 이 밖에 각 입출력 장치와 이들 장치를 전담하는 작은 CPU와 메모리가 있다. 입출력 장치별로 존재하는 이들을 각각 _______와 ____ 라고 부른다.

    • 프로그램 카운터가 운영체제가 존재하는 메모리 주소를 가리키고 있다면 이 경우 CPU가 ____모드 에서 수행 중이라고 이야기한다. 반대로 프로그램 카운터가 유저 어플리케이션이 존재하는 메모리 위치를 가리키고 있다면 ____모드에서 CPU가 수행되고 있다고 이야기한다.

  2. 커널 모드에서는 모오든 시스템 메모리와 모오오든 CPU 인스트럭션에 접근이 허가된다. (O / X)

  3. 시스템 콜(system call)이 발생하는 상황 한 가지를 예로 들어보세요.

📄 답지

  1. 보기를 참고해 빈칸을 채워주세요.

    로컬 버퍼, 커널, 타이머, DMA 컨트롤러, 입출력 컨트롤러, 사용자, 모드비트, 로컬 버터, 프로그램 카운터, 유저, 디스크

    • CPU는 매 시점 메모리의 특정 주소에 존재하는 명령을 하나씩 읽어와 그대로 실행할 뿐이다. 이때 CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고있는 레지스터를 ________라고 부른다.

      정답 : 프로그램 카운터

      CPU는 매번 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 위치의 명령을 처리하게 된다.

    • 컴퓨터를 구성하는 하드웨어로는 CPU와 메모리가 있고, 이 밖에 각 입출력 장치와 이들 장치를 전담하는 작은 CPU와 메모리가 있다. 입출력 장치별로 존재하는 이들을 각각 _______와 ____ 라고 부른다.

    정답 : 입출력 컨트롤러, 로컬 버퍼

    컴퓨터 시스템의 동작은 CPU에 의해서만 이루어지는 것이 아니다. 프로그램이 수행되는 중에 디스크에서 파일을 읽어오기도 하고 키보드로부터 입력을 받거나 처리 결과를 화면에 출력하기도 한다.

    • 프로그램 카운터가 운영체제가 존재하는 메모리 주소를 가리키고 있다면 이 경우 CPU가 ____모드 에서 수행 중이라고 이야기한다. 반대로 프로그램 카운터가 유저 어플리케이션이 존재하는 메모리 위치를 가리키고 있다면 ____모드에서 CPU가 수행되고 있다고 이야기한다.

  2. 커널 모드에서는 모오든 시스템 메모리와 모오오든 CPU 인스트럭션에 접근이 허가된다. (O / X)

    정답 : O

    CPU가 수행하는 명령에는 일반명령과 특권명령이 있다. 컴퓨터 시스템에서는 보안이 필요한 특권명령은 항상 운영체제만이, 즉 커널모드에서만 수행할 수 있도록 제한하고 있다.

  3. 시스템 콜(system call)이 발생하는 상황 한 가지를 예로 들어보세요.

    정답 :

    유저 어플리케이션이 디스크에 접근해 파일로부터 데이터를 읽거나, 읽은 데이터를 화면에 출력하려면 일반명령 외에 특권명령의 수행이 필요하다. 유저 어플리케이션은 스스로 특권명령을 수행할 수 없으므로 운영체제에게 시스템 콜을 해 유저모드에서 커널모드로 전환해 작업을 수행한다.



4-3 🍂 프로그램의 실행 　secho

1번

실행파일이 메모리에 적재되거나 CPU를 할당받고 명령을 수행하고있는 상태를 프로그램이 __되고 있다 라고한다.


2번

데이터, 큐, 스택, 코드, 스왑, 물리적 메모리, 상대적 메모리, 가상 메모리

프로세스의 주소공간은 __, ___, __등으로 구성되는데 프로그램마다 별도로 갖는 이러한 주소공간을 _____ 또는 ______라고 부른다.


3번

커널역시 이와 같이 별도의 주소공간을 갖고 있는데 커널의 __는 주로 CPU, 메모리 등의 자원관리를 위한 부분, 시스템 콜, 인터럽트를 처리하기 위한 부분을 포함한다.

___영역에는 프로세스의 상태, CPU 사용정보 등을 유지하기 위한 PCB를 두고 있다.


📄 답지

답지

1번

실행파일이 메모리에 적재되거나 CPU를 할당받고 명령을 수행하고있는 상태를 프로그램이 실행되고 있다 라고한다.

2번

데이터, 큐, 스택, 코드, 스왑, 물리적 메모리, 상대적 메모리, 가상 메모리

프로세스의 주소공간은 코드, 데이터, 스택등으로 구성되는데 프로그램마다 별도로 갖는 이러한 주소공간을 가상메모리 또는 논리적 메모리라고 부른다.

3번

커널역시 이와 같이 별도의 주소공간을 갖고 있는데 커널의 코드는 주로 CPU, 메모리 등의 자원관리를 위한 부분, 시스템 콜, 인터럽트를 처리하기 위한 부분을 포함한다.

데이터영역에는 프로세스의 상태, CPU 사용정보 등을 유지하기 위한 PCB를 두고 있다.



4-4 🍂 사용자 프로그램이 사용하는 함수 　jehong

  1. 다음 보기에서 골라 빈칸을 알맞게 채우세요

    보기

    운영체제에 CPU를 넘겨서 실행, 사용자 정의 함수, 라이브러리 함수, 사용자 프로그램의 코드 영역, 커널함수, taeleebabo(), kido_calm_down(), sin(), printf(), read(), write(), 커널의 스택, 사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행, 운영체제 커널의 주소 공간

_______a_______ _______b_______ _______c_______
정의 프로그래머 본인이 직접 작성한 함수 이미 누군가 작성해놓은 함수를 호출만 하여 사용하는 함수 커널의 코드에 정의된 함수
종류 - - 시스템 콜 함수, 인터럽트 처리 함수
저장 공간 _______d_______ _______d_______ _______e_______
함수호출시 사용하는 스택 사용자 프로그램의 주소 공간에 있는 스택 사용자 프로그램의 주소 공간에 있는 스택 _______f_______
함수호출시 실행 과정 _______g_______ _______g_______ _______h_______
해당 함수 _______i_______, _______j_______ _______k_______, _______l_______ _______m_______, _______n_______
📄 답지
  1. 다음 보기에서 골라 빈칸을 알맞게 채우세요

보기

운영체제에 CPU를 넘겨서 실행, 사용자 정의 함수, 라이브러리 함수, 사용자 프로그램의 코드 영역, 커널함수, taeleebabo(), kido_calm_down(), sin(), printf(), read(), write(), 커널의 스택, 사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행

사용자 정의 함수 라이브러리 함수 커널함수
정의 프로그래머 본인이 직접 작성한 함수 이미 누군가 작성해놓은 함수를 호출만 하여 사용하는 함수 커널의 코드에 정의된 함수
종류 - - 시스템 콜 함수, 인터럽트 처리 함수
저장 공간 사용자 프로그램의 코드 영역 사용자 프로그램의 코드 영역 운영체제 커널의 주소 공간
함수호출시 사용하는 스택 사용자 프로그램의 주소 공간에 있는 스택 사용자 프로그램의 주소 공간에 있는 스택 커널의 스택
함수호출시 실행 과정 사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행 사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행 운영체제에 CPU를 넘겨서 실행
해당 함수 taeleebabo(), kido_calm_down() sin(), printf() read(), write()


4-5 🍂 인터럽트 　taelee

  1. 원칙적으로 인터럽트를 처리중에 또 다른 인터럽트가 발생하는 것을 허용하지 않는다. 그 이유는?(주관식)
  2. 그럼에도 불구하고 인터럽트 처리중에 또 다른 인터럽트를 처리하는 경우가 있다고 한다. 언제 그럴까?(주관식)
  3. A 인터럽트 처리중에 우선 순위가 높은 B 인터럽트가 발생해서 CPU는 B 인터럽트를 처리하러 갔다가 복귀 하려고 한다. CPU는 어디로 복귀해야 하는가?
    1. B 인터럽트를 발생시킨 코드로 복귀해서 B 인터럽트 처리 결과를 바탕으로 그 이후 부분을 수행하러 간다.
    2. B 인터럽트가 발생되기 직전에 처리하던 A 인터럽트를 처리하러 간다.
    3. 여자친구를 만나러 동탄에 간다.
📄 답지

  1. 원칙적으로 인터럽트를 처리중에 또 다른 인터럽트가 발생하는 것을 허용하지 않는다. 그 이유는?(주관식)

    처리중이던 데이터를 그 다음 인터럽트가 변경시킨다면 데이터의 일관성이 유지될 수 없다.

  2. 그럼에도 불구하고 인터럽트 처리중에 또 다른 인터럽트를 처리하는 경우가 있다고 한다. 언제 그럴까?(주관식)

    더 시급하거나 CPU를 당장 사용해야 하는 일이 발생했을 때

  3. A 인터럽트 처리중에 우선 순위가 높은 B 인터럽트가 발생해서 CPU는 B 인터럽트를 처리하러 갔다가 복귀 하려고 한다. CPU는 어디로 복귀해야 하는가? 정답 2번

    1. B 인터럽트를 발생시킨 코드로 복귀해서 B 인터럽트 처리 결과를 바탕으로 그 이후 부분을 수행하러 간다.
    2. B 인터럽트가 발생되기 직전에 처리하던 A 인터럽트를 처리하러 간다.
    3. 여자친구를 만나러 동탄에 간다.


4-6 🍂 시스템 콜 　yeosong

1. 보기에서 알맞은 말을 골라 문장을 완성하세요.

사용자 정의 함수 시스템 콜 함수 라이브러리 함수 ft_print의 주소 공간 커널의 주소 공간

  • 뛰어난 개발자인 hylee가 만든 프로그램 ft_print에서 va_start()는 ________이다.
  • ft_atoi()는 ________이다.
  • ________에 정의된 코드에서 함수를 호출해온다.
  • write()는 ________이다. 이는 ________에 정의된 함수를 호출하는 것이다.

2. 노련한 개발자인 daelee가 만든 프로그램 get_next_line은 디스크에 들어있는 200,000 줄짜리 텍스트 파일 42 norm rules.txt를 read()중이다. 이 실행을 시작한지 0.1초 뒤 daelee는 가장 큰 소수를 찾는 프로그램 biggest prime을 실행시켰다. biggest prime 프로세스가 CPU 제어권을 받아 연산을 실행하는 시점으로 알맞은 것은? (단, 시분할 타이머의 작동은 계산하지 않는 것으로 가정한다)

가) get_next_line이 read()를 호출하기 위해 OS에게 인터럽트 라인을 세팅하기 전

나) 디스크 컨트롤러가 OS에게 입출력 요청을 받은 후

다) 디스크 컨트롤러가 작업이 완료되었음을 알리는 인터럽트를 OS에게 발생시킨 후

📄 답지

1. 보기에서 알맞은 말을 골라 문장을 완성하세요.

사용자 정의 함수 시스템 콜 함수 라이브러리 함수 ft_print의 주소 공간 커널의 주소 공간

  • 뛰어난 개발자인 hylee가 만든 프로그램 ft_print에서 va_start()는 라이브러리 함수이다.
  • ft_atoi()는 사용자 정의 함수이다.
  • ft_print의 주소 공간에 정의된 코드에서 함수를 호출해온다.
  • write()는 시스템 콜 함수이다. 이는 다른 프로그램의 공간, 즉 커널의 주소 공간에 있는 함수를 호출하는 것이다.

2. 노련한 개발자인 daelee가 만든 프로그램 get_next_line은 디스크에 들어있는 200,000 줄짜리 텍스트 파일 42 norm rules.txt를 read()중이다. 이 실행을 시작한지 0.1초 뒤 daelee는 가장 큰 소수를 찾는 프로그램 biggest prime을 실행시켰다. biggest prime 프로세스가 CPU 제어권을 받아 연산을 실행하는 시점으로 알맞은 것은? (단, 시분할 타이머의 작동은 계산하지 않는 것으로 가정한다)

가) get_next_line이 read()를 호출하기 위해 OS에게 인터럽트 라인을 세팅하기 전

나) 디스크 컨트롤러가 OS에게 입출력 요청을 받은 후

디스크 컨트롤러가 입출력 할동안 놀기만 할 수는 없으므로, CPU의 효율적 사용을 위해 CPU 제어권이 다른 프로세스에게 이양된다.

다) 디스크 컨트롤러가 작업이 완료되었음을 알리는 인터럽트를 OS에게 발생시킨 후



4-7 🍂 프로세스의 두 가지 실행 상태 　kukim

프로그램이 시작되어 종료될 때까지 다양한 함수호출을 하며 실행되는데, ( )모드와 ( )모드의 실행 상태로 구분 지을 수 있다.

사용자 정의함수나 라이브러리 함수를 호출할 때에는 ( )모드에서 실행을 지속하고 시스템 콜을 하는 경우에는 ( )모드로 진입해 실행한다.

시스템 콜의 실행이 끝나면 다시 ( ) 모드로 복귀해서 시스템콜 이후의 명령들을 계속 실행한다.

프로그램의 실행이 끝날 때에는 ( ) 모드로 진입해 프로그램을 종료한다.

📄 답지

프로그램이 시작되어 종료될 때까지 다양한 함수호출을 하며 실행되는데, (사용자)모드와 (커널)모드의 실행 상태로 구분 지을 수 있다.

사용자 정의함수나 라이브러리 함수를 호출할 때에는 (사용자)모드에서 실행을 지속하고 시스템 콜을 하는 경우에는 (커널)모드로 진입해 실행한다.

시스템 콜의 실행이 끝나면 다시 (사용자) 모드로 복귀해서 시스템콜 이후의 명령들을 계속 실행한다.

프로그램의 실행이 끝날 때에는 (커널) 모드로 진입해 프로그램을 종료한다.