[운영체제와 정보기술의 원리] 4장 프로그램의 구조와 실행

1. 프로그램의 구조와 인터럽트

프로그램이 CPU에서 명령을 수행하려면 해당 명령을 담은 프로그램의 주소 영역이 메모리에 올라가 있어야 한다. 

• 프로그램 주소 영역
  • 코드(code) : 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장됨
  • 데이터(data) : 전역 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 부분
  • 스택(stack) : 함수가 호출될 때 호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시로 저장하는 데 사용됨

인터럽트로 인해 CPU를 빼앗긴 위치는 운영체제가 관리하는 프로세스 제어블록에 저장된다. 

• 프로세스 제어블록(PCB) : 인터럽트가 발생한 시점에서 그 프로그램의 어느 부분까지 수행했는지를 저장하고, 인터럽트 처리 후 프로세스 제어블록에 저장된 주소를 복원시켜 원래 수행하던 일을 재개하게 된다. 

 

2. 컴퓨터 시스템의 작동 개요

• 프로그램 카운터(Program Counter, PC) : CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고 있는 레지스터

 

3. 프로그램의 실행

프로그램이 실행(program execution)되고 있다는 것은 2가지의 의미를 가지고 있다. 

• 1. 디스크에 존재하던 실행파일이 메모리에 적재된다는 의미이고,
• 2. 프로그램이 CPU를 할당받고 명령을 수행하고 있는 상태라는 뜻이다. 

가상메모리(virtual memory) / 논리적 메모리(logical memory)

• 프로그램마다 독자적으로 존재하는 프로세스의 주소공간이며, 실제 물리적 메모리의 주소와 독립적으로 각 프로그램마다 독자적인 주소 공간을 가지기 때문에 이렇게 부른다. 

커널

• 커널의 코드 : CPU, 메모리 등의 자원을 관리하기 위한 부분과 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공하기 위한 부분이 주를 이룬다. 시스템 콜 및 인터럽트를 처리하기 위한 부분을 포함한다. 
• 커널의 데이터 : 각종 자원을 관리하기 위한 자료구조가 저장된다. CPU와 메모리와 같은 하드웨어 자원을 관리하기 위한 자료구조와 현재 수행 중인 프로그램을 관리하기 위한 자료구조를 포함하고 있다. 
  • PCB를 가지고 있다. PCB는 각 프로세스의 상태, CPU 사용 정보, 메모리 사용 정보 등을 유지하는 자료구조이다. 
• 커널의 스택 : 함수 호출 시 복귀 주소를 저장하기 위한 용도로 사용된다. 현재 수행 중인 프로세스마다 별도의 스택을 두어 관리한다. 

 

4. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

사용자 정의 함수

• 프로그래머가 직접 작성한 함수
• 해당 프로그램의 코드 영역에 기계어 명령 형태로 존재한다. 
• 프로그램이 실행될 때에 해당 프로세스의 주소 공간에 포함되며, 함수호출 시에도 자신의 주소 공간에 있는 스택을 사용한다. 

커널함수

• 운영체제 커널의 코드에 정의된 함수
• 시스템 콜 함수 : 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 요청하기 위해 호출
• 인터럽트 처리 함수 : 각종 하드웨어 및 소프트웨어가 CPU의 서비스를 요청하기 위해 발생시키는 함수
• 운영체제 커널의 주소 공간에 코드가 정의된다. 
• printf() 함수의 경우, 라이브러리 함수지만 특권명령인 입출력을 필요로 하기 때문에 printf()내에서 커널함수를 호출하는 시스템 콜을 포함한다. 

 

5. 인터럽트

인터럽트 처리 중에 또 다른 인터럽트가 발생하는 경우 

• 데이터의 일관성 문제로 원칙적으로는 허용하지 않으나, 인터럽트마다 중요도가 다르기 때문에 상대적으로 낮은 중요도를 가진 인터럽트를 처리하는 도중에 중요도가 더 높은 인터럽트가 발생하는 것을 허락할 필요가 있다. 
• 그럴 경우, 현재 처리 중이던 인터럽트 코드의 수행 지점을 저장하고 우선순위가 높은 인터럽트를 처리한다. 그다음 저장된 주소로 복귀해 이전에 수행하던 인터럽트 처리 코드를 수행한다. 

 

6. 시스템 콜

시스템 콜은 일반적인 함수호출과는 다르게 자신의 주소 공간 내에서 호출이 이루어지는 것이 아니라 커널이라는 다른 프로그램의 주소 공간에 존재하는 함수를 호출한다. 

• 시스템 콜은 함수호출을 위해 자신의 인터럽트 라인에 인터럽트를 세팅하는 명령을 사용한다. 

 

7. 프로세스의 두 가지 실행 상태

• 사용자모드에서의 살행 상태(user mode running)
• 커널모드에서의 실행 상태(kernel mode running)