3-computer-system-동작-원리

인터럽트 서비스 루틴

프로그램은 여러개의 함수로 구성된다. 메모리 주소를 조사해보면

• 코드

• 데이터

• 스택 등의 영역으로 나뉨

스택

• 실행 중인 함수에서 다른 함수 호출한 경우, 함수 종료 후 실행한 함수 위치로 돌아가기 위해 복귀 주소 저장

데이터

• 전역 변수 등 프로그램이 사용하는 각종 데이터가 저장되는 공간

코드

• 작성한 코드가 기계어 형태로 저장되는 영역

• CPU 는 매 시점 코드 부분에 있는 명령을 하나씩 읽어와서 수행

인터럽트 핸들링

인터럽트가 발생한 후에 처리해야 할 절차

• CPU 에서 명령어 수행시 CPU 내부의 임시 기억장치인 레지스터에서 데이터를 읽거나 쓰면서 작업 수행

• 인터럽트 발생시, 이것을 CPU 내의 하드웨어에 상태 저장

PCB(Process Control Block)

• 이 부분에 저장되는 내용은 현재 수행 중인 메모리 주소, 레지스터 값, 하드웨어 상태 등이 있음

• 이 정보가 저장된 후, 인터럽트 수행 끝나면 저장된 값을 CPU 상에 다시 복원해 인터럽트 당하기 직전의 명령 계속 수행

3.5 입출력 구조

입출력이란 컴퓨터 시스템이 컴퓨터 외부의 주변 장치들과 데이터를 주고 받는것

2 가지 방식 있음

1. 동기식 입출력

2. 비동기식 입출력

동기식 입출력

• 입출력 요청한 프로그램은 입출력 완료될 때까지 다음 명령 수행 못해서(blocked state) CPU 낭비 초래

• CPU 의 효율적인 사용을 위해 입출력 수행되는 동안 다른 프로그램에게 CPU 를 양도

• 이로인해, 동시에 다수 입출력 연산 일어날 수 있음

• A 라는 프로그램이 입출력 요청하여 수행 중에 프로그램 B 가 입출력 연산 요청시 또다른 입출력 연산 일어나기 때문

  • A 가 디스크의 파일 내용 1-> 3 으로 바꾸는 입출력 연산 요청

  • B 는 A 가 쓰던 CPU 할당 받고, A 가 입출력 요청한 곳과 동일한 파일의 내용 1 증가 시키는 내용

  • 매 시점 2 개 이상의 입출력 연산 수행 가능하다면, A 와 B 의 순서를 바꾸어 수행 가능. 그러면 1->3->4가 아닌 1->2->3이 된다.

• 위와 같은 Sync(동기성)를 보장하기 위해 장치마다 큐를 두어 요청된 순서대로 처리

비동기식 입출력

동기식과 차이점

• CPU 의 제어권을 입출력을 요청한 프로세스에게 곧바로 다시 주어짐

• 입출력 연산이 완료된는 것과 무관하게 처리 가능한 작업 부터 처리

동기식과 공통점

• 입출력 연산 완료시 동기식과 마찬가지로 인터럽트를 통해 이를 CPU 에게 알려주게 됨

• 그러면 그 시점부터 읽어온 데이터를 필요로 하는 명령 수행

3.6 DMA(Direct Memory Access)

• 메모리는 CPU 에 의해서만 접근 가능한 장치

• 주변 장치들이 메모리에 접근하기 위해 CPU 에게 인터럽트 발생시켜 CPU 가 일을 대행

  • 예를 들어, 컨트롤러가 CPU 에게 인터럽트 발생시

  • CPU 는 컨트롤러의 로컬 버퍼와 메모리 사이에서 데이터를 옮겨주는 일을 함

• 근데 모든 메모리 접근 연산이 CPU 에 의해서만 이루어질 경우 주변 장치가 메모리 접근 원할 때마다 인터럽트를 통해 CPU 의 업무 방해로 인해 CPU 사용 효율성 떨어짐

• DMA: 그래서 CPU 이외에 메모리 접근 가능한 장치 하나 더둠

  • 일종의 컨트롤러

  • CPU 가 주변 장치들의 메모리 접근 요청에 의해 자주 인터럽트 당하는 것을 커버쳐줌

  • DMA 사용시 로컬 버퍼에서 메모리 읽어오는 작업을 DMA 가 대행

  • CPU 는 원래 하던 작업 멈추고 인터럽트 처리할 필요가 없음

  • 이 때, DMA 는 바이트 단위가 아닌 블록이라는 큰 단위로 메모리를 읽어와서 CPU 에게 인터럽트 발생 시켜 해당 작업 완료 알림

3.7 저장장치의 구조

보조기억장치

• 비휘발성, CD, 플래시 메모리 등

2 가지 용도

1. file system 용

   • 전원이 나가도 유지해야 할 정보가 있으면 파일 형태로 저장

2. 메모리의 연장 공간인 swap area

   • 메모리는 크기가 한정되고 가격이 상대적으로 비싸고 용량이 적은 경우가 대부분

   • 다수의 프로그램이 메모리에 올라가 동시에 수행하는 현대 환경에서 메모리 공간 부족한 경우 흔히 발생

   • 이 경우 OS 는 프로그램 수행에 당장 필요한 부분만 메모리에 올리고 그렇지 않은 부분은 swap out시킴

   • swap out 된 부분이 필요하면 다시 메모리 영역으로 올림

   • 실행 중인 프로그램을 내려놓는 swap area 는 보통 HDD 가 널리 사용

3.8 저장장치 계층 구조

컴퓨터 시스템을 구성하는 저장 장치는 빠른 저장 장치 부터 느린 저장 장치까지 단계적 계층 구조로 구성

• 빠른거 : 공간당 가격 높기 때문에 적은 용량

• 느린거 : 가격 저렴이, 대용량 사용 반면 접근속도 느리다는 약점

// primary
registers
cachememory
mainmemory
------
// secondary
magnetic disk
optical disk
magnetic tape

상위로 갈수록

• 접근 속도가 빠르지만 용량 적음

• 하지만 당장 필요한 정보만을 선별적으로 저장 하면 하위에 있는 큰 용량의 저장장치를 가지고 있는 것과 비슷한 효과 낼 수 있음

• 캐쉬 메모리는 레지스터와 메인 메모리 사이에 존재하며 캐슁 기법을 이용해 적은 용량의 캐쉬 메모리로도 메인 메모리와 같은 용량을 가진 것처럼 효율적 사용

  • 캐슁 기법은 걍 빈번히 사용 or 연산되는거 캐싱하는거

3.9 하드웨어 보안

다중 프로그래밍 환경에서는 여러 프로그램이 동시 실행됨.

• 각 프로그램이 다른 프로그램의 실행을 방해하거나 프로그램 간에 서로 충돌을 일으키는 문제를 막기 위해 보안 기법 필요

이를 위해 OS 는 2 가지 모드의 오퍼레이션 지원

1. 커널 모드

2. 사용자 모드

어떤 프로그램이 이상한 명령을 수행하여 다른 프로그램의 메모리 영역이나 파일 영역 침범할 수 있음.

• 따라서 중요한 정보에 접근해 위험한 상황 초래할 수 있는 연산은 커널에서만 가능

커널 모드

OS 가 CPU 의 제어권을 가지고 OS 코드를 실행

• 모든 종류의 명령어 실행 가능

사용자 모드

• 제한적인 명령 수행

근데 중요한 연산을 OS 만이 수행할 수 있도록 하더라도 사용자 프로그램이 프로그램 내에서 그런 종류의 연산을 수행하면 제어가 아무 소용이 없음. -> 사용자 프로그램이 CPU 를 가지고 있는 동안 OS 가 CPU 선점할 수 없으므로 사용자 프로그램을 감시할 수 있는 방법 없음

위와 같은 상황을 방지하기 위해 하드웨어적 지원 필요

컴퓨터 시스템은 CPU 내부에 mode bit 를 두고 사용자를 감시할 수 있음.

• 모드 비트가 0 이면 커널 모드로써 모든 명령 수행 가능

• 모드 비트가 1 이면 사용자 모드로써 제한된 명령 수행 가능

  • 예컨대, OS 가 CPU 점유하여 자기 코드 수행하다가 사용자 프로그램에게 CPU 제어권 넘길 때 모드 비트를 1 로 설정하고 넘김.

그럼 사용자 프로그램이 하드웨어 접근 등 보안이 필요한 중요한 명령어 수행이 필요할 경우?

• 시스템 콜을 통해 OS 에게 서비스를 대신해줄 것을 요청.

            interrupt / system call / exception
Kernel mode <----------------------------------- user mode
            ----------------------------------->
                     return to user mode

3.10 메모리 보안

사용자 프로그램 A 가 B 사용자 프로그램이나 OS 가 우치한 메모리 영역 침범 가능

해결책은 2 개의 레지스터를 두는 것

1. 기준 레지스터

2. 한계 레지스터

기준 레지스터

어떤 프로그램이 수행되는 동안 합법적으로 접근 가능한 메모리 상의 가장 작은 주소 보관

한계 레지스터

해당 프로그램이 기준 레지스터 값부터 접근할 수 있는 메모리의 범위 보관

즉, 기준 레지스터: 어떤 프로그램이 실제 메모리에 올라가 있는 부분의 시작 주소 한계 레지스터: 그 프로그램의 길이

그래서 메모리 접근 연산 있을 때마다 하드웨어적으로 현재 접근하려는 위치가 합법적인 범위인지 체크

• 이 때 불법적인 메모리 접근은 Exception 이라는 소프트웨어적인 interrupt 발생

• 인터럽트가 발생했으므로 CPU 제어권을 해당 프로그램에서 OS 로 이양, 그리고 OS 는 예외를 발생시킨 프로그램 강제 종료시킴

메모리 접근 연산은 사용자 프로그램이 CPU 가지고 있는 동안 수행할 수 있는 연산이므로 특권은 아님 다만, 사용자 프로그램이 메모리 접근하기 전에 하드웨어적으로 접근이 합법적인지 체크하여 메모리 보호 이것이 OS 만이 수행할 수 있는 입출력 연산과 메모리 접근 연산 차이점

보안에 관한 Summary

메모리 보안 - 사용자 모드인 경우 기준 레지스터와 한계 레지스터를 사용하여 메모리 보호. - 커널 모드에서는 메모리에 무제한 접근 가능.

하드웨어 보안 - 2 가지 모드로 나눠서 명령어 수행 접근 범위 나눔 - 커널 모드: 모든 명령어 수행 - 사용자 모드: 제한 명령어 수행 - 한계: 사용자 모드에서 CPU 주도권을 갖고 이상한 명령어 수행하는 것을 OS 가 감시할 수 없음(OS 가 CPU 주도권 갖고 있지 않아서) - 해결책: 컴퓨터 내부에 mode bit 를 두고 사용자 감시 - 모드비트 0 이면 커널 모드로써 모든 명령 수행 가능 - 1 이면 제한된 명령 수행. - 혹시나 보안이 필요한 중요한 명령어 수행할 경우 시스템 콜을 통해 OS 에게 서비스 대신 해달라고 요청

3.11 CPU 보호

특정 프로그램이 CPU를 독점하여 무한 반복문 수행하는 등 CPU 독점할 수 있음.

• 해결책; 타이머라는 하드웨어 사용

  • 정해진 시간이 지나면 인터럽트 발생 시켜 OS에게 CPU의 제어권을 이양시키는 역할.

3.12 시스템 콜을 이용한 입출력 수행

특권 명령인 입출력 명령은 사용자 프로그램이 직접 수행 불가

• 사용자 프로그램이 디스크의 파일에 데이터 쓰기,

• 디스크의 파일로부터 데이터 읽어오기 등

• 키보드 입력, 수행 결과 모니터 출력

시스템 콜 이라는 서비스 대행 요청하여 입출력 수행 하도록 함.

• 시스템 콜은 소프트웨어 인터럽트로, 발새앟ㄹ 경우 CPU에 대한 제어권이 운체로 넘어감 '