[운영체제와 정보기술의 원리] 3장 컴퓨터 시스템의 동작 원리

1. 컴퓨터 시스템의 구조

• 컴퓨터 내부장치 : CPU, 메모리
• 컴퓨터 외부장치 : 디스크, 키보드, 마우스, 모니터, 네트워크 장치 등 -> 입출력(input-output: I/O)라고도 함
• 컴퓨터는 외부장치에서 내부장치로 데이터를 읽어와(input) 각종 연산을 수행 후, 그 결과를 외부장치로 다시 내보내는(output) 방식으로 업무를 처리한다. 

메모리 및 입출력장치 등의 각 하드웨어 장치 마다 존재하면서 이들을 제어하는 작은 CPU, 컨트롤러가 있다.

 

2. CPU 연산과 I/O 연산

• 입출력 컨트롤러 : 입출력 장치들의 I/O 연산 담당
• 메인 CPU : 컴퓨터 내에서 수행되는 연산 담당
• 입출력 장치와 메인 CPU는 동시 수행이 가능하다. 
• 로컬버퍼 : 들어오고 나가는 데이터를 임시로 저장하기 위해 컨트롤러가 가지고 있는 작은 메모리
• 인터럽트 : 컨트롤러들이 CPU의 서비스가 필요할 때 이를 통보하는 방법
• 연산 과정 : 
  • CPU는 매 시점 메모리에서 명령(instruction)을 하나씩 읽어와서 수행 -> CPU 옆에는 인터럽트 라인이 있어서 CPU가 자신의 작업을 하던 중간에 인터럽트 라인에 신호가 들어오면 하던 일을 멈추고 인터럽트와 관련된 일을 처리 
  • 즉, CPU는 명령 하나를 수행할 때마다 인터럽트가 발생했는지 확인한다. 

 

3. 인터럽트의 일반적 기능

• 하드웨어 인터럽트 : 컨트롤러 등 하드웨어 장치가 CPU의 인터럽트 라인 세팅
• 소프트웨어 인터럽트(trap) : 소프트웨어가 인터럽트 라인 세팅
  • 예) 예외사항(exception)과 시스템 콜(system call) -> 사용자 프로세스로부터 CPU의 제어권이 운영체제에 이양되어 처리된다. 
• 인터럽트 벡터(interrupt vector) : 인터럽트 종류마다 번호를 정해서, 번호에 따라 처리해야 할 코드가 위치한 부분을 가리키는 자료구조
• 인터럽트 처리루틴(interrupt service routine) 또는 인터럽트 핸들러 (interrupt handler) : 실제 처리해야 할 코드가 정의된 곳

 

4. 인터럽트 핸들링

• 인터럽트가 발생한 경우에 처리해야 할 일의 절차를 말한다.
• 프로세스 제어블록(Process Control Block: PCB) : 운영체제가 현재 시스템 내에서 실행되는 프로그램들을 관리하기 위해 가지고 있는 자료구조
  • 각각의 프로그램마다 하나씩 존재하며 해당 프로그램의 어느 부분이 실행 중이었는지를 저장하고 있다. 
  • 프로그램이 실행 중이던 코드의 메모리 주소와 레지스터값, 하드웨어 상태 등이 저장된다. 

 

5. 입출력 구조

• 동기식 입출력 (synchronous I/O) 
  • 어떤 프로그램이 입출력 요청을 했을 때 입출력 작업이 완료된 후에야 그 프로그램이 후속 작업을 수행할 수 있는 방식
  • CPU의 명령 수행 속도는 입출력 장치에서 데이터를 읽어오는 등의 입출력 연산은 상대적으로 느리다. 동기식 입출력에서 CPU는 입출력 연산이 끝날 때까지 인터럽트를 기다리며 자원을 낭비하기 때문에 일반적으로 프로그램이 입출력을 수행 중인 경우 CPU를 다른 프로그램에게 이양해 CPU가 계속 쉬지 않고 일할 수 있도록 관리한다. 
  • 운영체제는 프로그램을 몇 가지 상태로 나누고 입출력 중인 프로그램의 경우 봉쇄 상태(blocked state)로 전환시킨다. 봉쇄 상태의 프로그램은 입출력이 완료될 때까지 CPU를 할당하더라도 명령을 수행하지 못하기 때문에 CPU를 할당하지 않는다.
  • 입출력 요청의 동기화를 위해 장치별로 큐(queue)를 두어 요청한 순서대로 처리할 수 있도록 한다. 
• 비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
  • 입출력 연산을 요청한 후에 연산이 끝나기를 기다리는 것이 아니라 CPU의 제어권을 입출력 연산을 호출한 그 프로그램에게 곧바로 다시 부여하는 방식이다.

 

6. DMA (Direct Memory Access)

• 일종의 컨트롤러로서, CPU가 입출력 장치들의 메모리 접근 요청에 의해 자주 인터럽트 당하는 것을 막아주는 역할을 한다. 
• 로컬버퍼에서 메모리로 읽어오는 작업을 CPU 대신 수행한다. -> CPU는 원래 하던 작업을 멈추고 인터럽트를 처리할 필요가 없어진다. 
• 바이트(byte) 단위가 아닌 블록(block)이라는 큰 단위로 정보를 메모리로 읽어온 후에 CPU에게 인터럽트를 발생시켜서 해당 작업의 완료를 알려준다. 

 

7. 저장장치의 구조

• 주기억장치
  • 휘발성(volatile)이다. -> 보통 메모리라고 부르며 전원이 나가면 저장되었던 내용이 모두 사라지는 RAM을 매체로 사용한다. 
• 보조기억장치
  • 비휘발성(nonvolatile)이다. -> 전원이 나가도 저장된 내용을 기억할 수 있는 마그네틱 디스크를 주로 사용한다. 
  • 용도는 1. 파일 시스템용, 2. 스왑영역용으로 나뉜다. 
  • 파일 시스템용 : 전원이 나가도 유지해야 되는 정보는 파일 형태로 보조기억장치에 저장. 
  • 스왑 영역(swap area) : 메모리의 연장 공간인 스왑 영역으로 사용.
    • 메모리는 크기가 한정되어 있고 비싸고 용량이 적다. 다수의 프로그램이 메모리에 올라가 동시에 수행되면 메모리 공간이 부족한 경우가 많은데, 이때 운영체제는 프로그램 수행에 당장 필요한 부분만 메모리에 올려놓고 그렇지 않은 부분은 디스크의 스왑 영역에 내려놓는다(swap out).

 

8. 저장장치의 계층 구조

• 캐싱기법 : 상대적으로 용략이 적은 빠른 저장장치를 이용해 느린 저장장치의 성능을 향상시키는 총체적 기법

 

9. 하드웨어의 보안

• 운영체제는 커널모드와 사용자모드를 지원한다. 
• CPU는 보안과 관련된 명령을 수행하기 전에 항상 모드비트를 조사해 그 값이 0일 경우에만 수행한다. 
• 커널모드(kerner mode)
  • 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 운영체게 코드를 실행하는 모드
  • 모든 종류의 명령을 다 실행할 수 있어서 중요한 정보에 접근해 위험한 상황을 초래할 수 있는 연산은 커널모드에서 실행된다. 
  • 입출력은 특권명령이기 때문에 모드비트가 0일 때만 수행가능하다. 
  • mode bit 0
• 사용자모드(user mode)
  • 일반 사용자 프로그램이 실행되며 제한적인 명령만 수행할 수 있다. 
  • mode bit 1
  • 하드웨어 접근 등 보안이 필요한 명령(특권명령)을 수행해야 할 경우 시스템 콜을 통해 운영체제가 대신해 줄 것을 요청한다. 

 

10. 메모리 보안

• 인터럽트 백터와 인터럽트 처리루틴이 있는 곳은 보안이 중요하다. 
• 해결방법 : 2개의 레지스터, 기준 레지스터(base register)와 한계 레지스터(limit register)를 사용해서 프로그램이 접근하려는 메모리 부분이 합법적인지 체크함으로써 메모리를 보호한다. 

 

11. CPU 보호

• CPU가 하나의 프로그램에 의해 독점되는 것을 막기 위해 운영체제는 타이머라는 하드웨어를 사용한다. 
• 타이머(timer)는 정해진 시간이 지나면 인터럽트를 발생시켜 운영체제가 CPU의 제어권을 획득할 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 
• 로드 타이머(load timer) : 타이머의 값을 세팅하는 명령. 특권명령에 속한다. 

 

12. 시스템 콜을 이용한 입출력 수행

• 시스템 콜
  • 특권명령인 입출력 명령은 사용자 프로그램이 직접 수행할 수 없기 때문에 운영체제에게 시스템 콜이라는 서비스 대행 요청을 통해 입출력을 수행한다.  
  • 소프트웨어적인 인터럽트로서 사용자 프로그램이 시스템 콜을 할 경우 트랩이 발생해 CPU의 제어권이 운영체제로 넘어간다. 운영체제는 해당 시스템 콜을 처리하기 위한 루틴으로 가서 정의된 명령을 수행한다. 

 

참고자료

https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/13_IOSystems.html

https://techdifferences.com/difference-between-cache-memory-and-main-memory.html