[OS] 컴퓨터 시스템 구조

http://www.kocw.net/home/cview.do?lid=36f314da6dc42576 

운영체제

 

System Structure & Program Execution 1

컴퓨터 시스템 구조, Mode bit, Timer, Device Controller, 입출력(I/O)의 수행, 동기식 입출력과 비동기식 입출력, 시스템콜(System Call), 인터럽트(Interrupt)

 

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컴퓨터 시스템 구조

• 메모리: cpu 작업공간
• 무한루프를 도는 프로그램 → 계속 CPU만 사용
• 그래서 timer 라는 하드웨어를 둠 
• 세팅해놓은 시간이 끝났다고 intertuput line을 체크
• CPU는 하던 일은 멈춤
• 종료하면 CPU 자동 반납

Mode bit

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
• Mode bit 을 통해 하드웨어적으로 2가지 모드 operation 지원
  • 1 사용자모드: 사용자 프로그램 수행
  • 0 모니터 모드: OS 코드 수행 (= 커널모드, 시스템모드)
  • interrupt나 Exception발생 시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
  • 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 셋팅

Timer

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
• 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이되면 타이머 인터럽트 발생 → CPU를 뺏을 수 있도록
• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로 부터 보호
• 타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용
• 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용

Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 control reguster, status register를 가짐 → 무슨일을 해라 라고 지시하는 것
  • local buffer를 가짐(일종의 data register) → 데이터를 넘겨주거나 화면에 출력하기 위해
  로컬 버퍼: 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

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• device driver(장치구동기)
  • OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 → software
• device controller(장치제어기)
  • 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → hardware

입출력(I/O)의 수행

• 모든 입출력 명령은 특권 명령
• 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 요청하는가?
  • 시스템 콜을 함  * 시스템 콜: 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
  • trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
  • 제어권이 인터럽트 백터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
  • 올바른 I/O 요청인지 확인 후, I/O 수행
  • I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김
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• 장치에 있는 컨트롤러가 인터럽트를 발생시켜 CPU에 보고 (이 때, 인터럽트란 컨트롤러들이 CPU의 서비스가 필요할 때 이를 통보하는 방법)
• CPU는 매 시점 메모리에서 명령(instruction)을 하나씩 읽어와서 수행
• 수행하기 할 때마다, 인터럽트가 발생했는지 확인
• CPU 옆에는 인터럽트 라인(interrupt line) 자신의 작업을 하던 중간에 인터럽트 라인에 신호가 들어오면 하던 일을 멈추고 인터럽트와 관련된 일을 먼저 처리
• 중간 중간에 작업이 들어왔을 때, CPU는 자신의 일을 계속 하고 있고 DMA가 메모리 복사를 하여 전달 그 작업이 끝났으면 interrupt를 한번만 걸어서 CPU에게 전달

Interrupt

• 인터럽트
  • 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후, CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김
• interrupt(넓은 의미)
  • interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Trap (소프트웨어 인터럽트)
    • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • ex) timer interrupt, I/O controller interrupt
    • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
• CPU는 instruction을 하나를 실행하고 나면, interrupt 들어온 것이 있는지 체크
• 인터럽트 관련 용어
  • 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴 (= interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
  • : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

시스템 콜(System Call)

• 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
• 운영체제에게 부탁할 때 시스템 콜이라고 함 → 부탁한 일을 운영체제가 할 수 있도록
• 프로그램이 운영체제 소프트웨어적으로 interrupt를 걸음
• 모드빗이 0으로 바뀌고 CPU제어권이 운영체제에게 넘어감
• interrupt line세팅 는 하드웨어
• 사용자 프로그램이 직접처리 하지 못하고 대신
• 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다.