컴퓨터 시스템 구조

각 IO 디바이스들에 Device Controller가 존재
- 디바이스 전담 작은 CPU와 같음
- 작업 공간 = local buffer
CPU는 메모리에 올라간 명령 Instruction만 수행
- Register: 메모리보다 빠른 정보 저장 공간
- Mode Bit: CPU에서 실행되는 프로그램이 사용자인지, 시스템인지 알려줌
IO에게 일 시키는 법
- IO Controller에게 작업 시킴
- Local Buffer에 데이터 저장
- IO 작업이 오래 걸림 → 컨트롤러가 알아서 실행
- CPU는 메모리 접근을 하면서 다른 명령 수행
Interrupt Line
- 메모리 인스트럭션을 수행하다가 중간중간 점검
- IO, Timer 등 작업 결과나 예외 상황 전달
- OS에게 제어권이 돌아감
Timer
- 특정 프로그램의 CPU 독점 방지

Mode bit

0 모니터 모드: OS 코드 수행
1 사용자 모드: 사용자 코드 수행 (한정됨)

보안상의 이유로 보호 장치 필요

Interrupt나 Exception 발생시 mode bit을 0으로 바꿈
사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

Timer

정해진 시간이 흐른 뒤 OS에 제어권이 넘어가도록
타이머는 매 클럭마다 1씩 감소
타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
타이머는 time sharing을 구현하기 위해 이용됨
현재 시간 계산에도 사용

Device Controller

I/O 전담 작은 CPU
control register, system register 등이 있음
I/O는 실제 디바이스와 local buffer 사이에서 일어남
interrupt를 통해 작업이 끝난 것을 알림
헤드 스핀 등 관리
각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → HW

Device Driver

OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴, CPU가 장치를 호출하기 위한 코드 → SW

다만 Interrupt가 너무 많이 걸림 → DMA Controller

Direct Memory Access (DMA) Controller

CPU에 Interrupt의 빈도를 줄이기 위해, 디바이스들로부터 받은 정보를 복사해 인터럽트를 줄임

I/O 수행

모든 입출력 명령은 모니터 모드에서만 가능
사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 하는가?
- System Call(시스템 콜)
- 기존 사용자 코드에서는 메모리 주소 점프를 통해 이동
- 하지만 시스템 콜의 경우는 메모리 주소 점프 불가능(모니터 모드가 아니라서)
- 따라서 Interrupt를 통해 시스템 콜
올바른 요청인지 확인하는 작업

수행 과정

소프트웨어 인터럽트를 통해 시스템 콜
하드웨어 인터럽트를 통해 작업 완료 알림

Interrupt

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter를 저장한 뒤 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴(OS)에 넘긴다.
넓은 의미
- 하드웨어 인터럽트: 하드웨어(디바이스, 타이머 등)가 발생
- Trap(SW Interrupt)
  - Exception: 오류
  - System Call: 프로그램이 커널 함수를 호출
관련 용어
- 벡터
  - 해당 이터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
- 처리 루틴(Interrupt Service Routine, Interrupt Handler)
  - 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

동기식 입출력, 비동기식 입출력

동기식 입출력

I/O 요청 후 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어감

구현 방법 1.

I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비
매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음

구현 방법 2.

I/O가 완료될 때가지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
다른 프로그램에게 CPU를 줌
CPU가 놀지 않고 일할 수 있음

비동기식 입출력

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

두 경우 모두 I/O 완료 시에 인터럽트 발생시킴

DMA

CPU 외의 메모리 접근 장치
빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
CPU의 중재 없이 Device Controller가 Device의 Buffer Storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
바이트 단위가 아닌 block 단위로 인터럽트 발생

서로 다른 입출력 명령어

I/O를 수행하는 특별 명령어에 의해
Memory Mapped I/O에 의해
- I/O 디바이스들에 메모리 연장 주소를 부여

저장 장치 계층 구조

Speed: Primary > Secondary
Cost: Primary > Secondary
Volatility: Primary > Secondary
Volume: Primary < Secondary

프로그램의 실행

메모리에 적재 방식
당장 필요한 메모리만 물리 메모리에 올림, 필요 없는 부분은 Swap Area라고 부르는 디스크에 적재
Virtual Memory: 각 프로세스 별로 가지고 있는 독자적인 메모리 공간
- 프로그램이 종료되면 없어짐

커널 주소 공간의 내용

Code

커널 코드
시스템콜, 인터럽트 처리 코드
자원 관리를 위한 코드
편리한 서비스 제공을 위한 코드

Data

운영체제가 사용하는 여러 자료구조
PCB(Process Control Blcok): 프로세스를 관리하기 위한 자료구조

Stack

Process의 커널 스택
사용자 프로그램마다 커널 스택을 따로 사용

사용자 프로그램이 사용하는 함수

사용자 정의 함수
라이브러리 함수
커널 함수 → Kernel Address Space
- 운영체제 프로그램의 함수
- 커널 함수 호출 = 시스템 콜