4-인터럽트-원리
4. 인터럽트의 원리
4.1 프로그램 구조와 인터럽트
4.2 컴퓨터 시스템 작동 개요
CPU 는
빠른 처리 속도로 계산만 함.
어떤 작업을 수행해야 하는지 스스로 결정 못함.
CPU 는 현재 수행해야 할
메모리 주소의 명령을 있는 그대로 처리함이러한 주소를 담고 있는 레지스터를 프로그램 카운터 라고 함
컴퓨터 시스템의 동작은 CPU 에 의해서만 이루어지는 건 아님
프로그램이 수행되는 중에
디스크에서 파일 읽어오기
키보드로부터 입력 받기
처리 결과를 화면에 출력하기
위와 같이 CPU 에서 명령을 수행하는 부분, 컴퓨터 외부와 입출력이 이루어지는 부분.
일단 총체적인 이해부터 해보자.
하드웨어로 작은 CPU 와 메모리가 있음
각 입출력 장치
이들 장치를 전담하는 CPU 와 메모리를 각각 입출력 컨트롤러 , 로컬 버퍼 라고 함
CPU 가 수행하는 명령
일반명령
특권명령
일반명령
메모리에서 자료 읽어와서 CPu 에서 계산하고 결과를 메모리에 쓰는 일련의 ㅁ여령들
모든 프로그램이 수행할 수 있는 명령
특권 명령
보안이 필요한 명령으로
입출력 장치,타이머등 각종 장치를 접근하는 명령
컴퓨터 시스템은 이 두 명령의 실행 가능성을 체크하기 위해 CPU 내에 mode bit 를 둔다
사용자 프로그램이 특권 명령이 필요한 경우 System Call 호출. 예를 들어, CPU 가 컨트롤 레지스터를 세팅하여 디스크 컨트롤러에게 데이터를 읽어오라고 명령 내리면,
디스크 컨트롤러는 디스크로부터 데이터 읽어와서 로컬 버퍼에 저장
저장 완료 도면 디스크 컨트롤러가 CPU 에게 인터럽트 발생시켜 입출력 작업 완료 알림
...
4.3 프로그램의 실행
디스크에 존재하던 실행 파일이 메모리에 적재
프로그램이 CPU 를 할당받고 기계 명령을 수행하는 상태
보통 CPU 가 1 개니까 CPU 에서 명령을 수행하는 프로그램은 1 개
여러 프로그램이 메모리에 동시에 적재 되어 있을 수 있으므로 여러 프로그램이 동시에 실행된다는 말을 보편적으로 사용
실행 파일이 메모리에 적재시 실행 파일 전체가 메모리에 한꺼번에 안올라감
필요한 부분만 적재
필요하지 않은 부분은 swap area 에, 필요할 때 적재시킴
프로세스의 주소 공간 은
code
data
stack
으로 구성된다. 각 프로그램은 주소 공간을 별도로 가짐. 이 주소공간을 가상 메모리 혹은 논리적 메모리 라고 부름
이는 실제 물리적 메모리의 주소와 독립적으로 각 프로그램마다 독자적인 주소 공간을 가지기 때문에 위와 같이 부름
OS 도 1 개의 프로그램이므로 운영 체제 커널 역시
code
data
stack 을 가짐
커널이 하는일
CPU, 메모리 등 자원 관리하기 위한 부분
사용자에게 편리한 인터페이스 제공하기 위한 부분
시스템 콜 및 인터럽트를 처리하기 위한 부분
커널의 데이터 영역은
현재 수행중인 프로그램을 관리하기 위한 자료구조도 커널 데이터 영역에 유지
각 프로세스의 상태, CPU 사용 정보, 메모리 사용 정보 등을 유지하기 위한 자료구조인 PCB 를 가짐
hw/sw 를 포함하는 시스템 내의 모든 자원을 관리하기 위한 자료구조 각각 유지
커널의 스택 영역은
일반 프로그램과 마찬가지로 함수 호출시의 복귀 주소 영역을 저장하기 위함
커널의 스택은 일반 사용자 프로그램의 스택과 달리 현재 수행중인 프로세스마다 별도의 스택을 두어 관리
즉, 자기 코드 내에서 함수 호출 및 복귀 주소를 유지하기 위해서는 자기 주소 공간 내의 스택 사용
시스템 콜 등 커널 내의 함수를 호출하는 경우에는 커널의 주소 공간에 존재하는 커널 스택을 사용
프로세스가 특권 명령을 수행하려고 커널에 정의된 시스템 콜을 호출하고 시스템 콜 내부에서 다른 함수를 호출하는 경우 그 복귀 주소는 커널 내의 주소가 되어 사용자 프로그램의 스택과는 별도의 저장 공간이 필요
커널은 일종의 공유 코드로써 모든 사용자 프로그램이 시스템 콜을 통해 커널의 함수를 접근할 수 있으므로 각 프로세스마다 커널 내의 별도의 스택을 둔다
4.4 사용자 프로그램이 사용하는 함수\호
4.5 인터럽트
인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 있음(보통 hw인터럽트를 통칭)
CPU가 아닌 다른 하드웨어 장치가
CPU에게 어떤 사실 알리거나
CPU의 서비스를 요청해야 할 경우 CPU의 인터럽트 라인을 세팅해 발생시킴
CPU는 프로그램 카운터가 가리키고 있는 지점의 명령을 하나씩 수행 후,
다음 명령 수행 전에 인터럽트 라인 체크 하여 인터럽트 발생했으면 현재 수행하던 프로세스 멈추고
OS의 인터럽트 처리루틴으로 이동하여 인터럽트 처리 수행
타이머도 마찬가지
넓은 의미의 인터럽트
hw 인터럽트
트랩
소프트웨어가 발생하는 인터럽트
exception : 프로그램이 허용되지 않는 연산 수행하려 할 때, OS가 CPU 제어권을 가지고 상황 조치
0으로 나누는 연산
자신의 주소 공간 넘어서는 메모리 참조
system call : 사용자 프로세스가 OS의 서비스를 요청하기 위해 커널의 함수를 호출 하는 것
4.6 시스템 콜
CPU는 매 시점 프로그램 카운터가 가리키고 있는 메모리 주소의 명령을 수행.
컴퓨터 시스템에서는 hw/sw 자원의 보안을 위해 CPU가 실행할 수 있는 명령을 일반 명령과 특권 명령으로 나누어 관리
예를 들어 입출력 장치 접근하는 명령은 특권 명령으로 규정.
디스크에 있는 남의 파일 보기 등과 같은 입출력 장치에 대한 접근을 사용자 프로세스가 직접하지 못하도록 제한.
이러한 관리를 지원하기 위해 하드웨어 측면에서 모드 비트라는게 있음
;;;
CPU를 할당받고 명령을 수행하다 CPU에 선점당하는 경우
타이머에 의해 인터럽트 발생
입출력 요청을 위해 시스템 콜을 한 경우
4.7 프로세스의 상태
실행(running)
준비(ready)
프로세스가 CPU를 할당받지 못한 상태
봉쇄(blocked, wait, sleep)
프로세스가 CPU 할당 받아도 명령 수행 불가.
프로세스가 요청한 입출력 작업이 진행중인 경우
2(준비) -> 1실행(running)
현재 실행상태에 있는 프로세스가 입출력 요청 등으로 봉쇄되거나
실행 상태에 있던 프로세스의 CPU 할당 시간이 만료되어 타이머 인터럽트 발생한 경우
OS는 준비 상태에 있는 프로세스들을 줄 세우기 위해 준비 큐(ready queue) 를 가짐
제일 앞 줄에 있는 프로세스에게 제일 먼저 CPU를 할당
준비큐에 프로세스 줄 세우는 방법은 CPU 스케줄링 방법에 따라 다름 (6장)
OS는 특정 프로세스 줄 세우기 위해 자원별로 큐를 두고 있음
레디 큐
디스크 입출력 큐
디스크에 입출력 서비스를 요청한 프로세스들
디스크 컨트롤러는 디스크 입출력 큐에 줄 서 있는 순서대로 프로세스들의 입출력 작업 수행
입출력 작업 완료시 디스크 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트 발생시킴
인터럽트 처리 루틴에 의해 디스크 입출력이 완료된 프로세스는 입출력 큐에서 빠져나와 CPU를 기다리는 레디큐 에 줄선다.
키보드 입출력 큐
키보드로부터 어떤 입력 받아야 하는 경우
프로세스들을 줄세우기 위한 큐
프로세스의 상태 관리는 커널의 주소 영역 중 데이터 영역에 다양한 큐를 두어 이뤄짐 각 프로세스들이
CPU를 기다리는지
입출력을 기다리는 지 등을 커널이 총체적으로 관리
예컨대 타이머 인터럽트 발생시 커널은 데이;터 영역에 있는 레디 큐의 정보를 참조에 다음에 어느 프로세스에게 CPU를 할당할지 결정하고
현재 실행되던 프로세스는 준비 큐의 제일 뒤로 보냄
4.8 프로세스의 2가지 상태
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