02. 컴퓨터 시스템의 구조
Reference: 이화여자대학교 운영체제 강의 - 반효경
운영체제의 종류
운영체제에 따른 오픈/비공개 소스 여부
Windows: Closed Source Software
Linux: Open Source Software
Android: Open Source Software (최하단에 Linux Kernel 포함)
어떻게 Open Source가 가능한가?
Software 특성상 인건비를 제외한 원재료비가 들지 않기 때문
독점 체제가 가능한 시장이므로 1등 소프트웨어는 잘 팔고 나면 시장 장악하지만, 1등 외의 경쟁자들은 도태됨
2등 소프트웨어는 도태되기 전에 오픈하여, 사용자들이 여러 환경에 맞게 소스코드를 적용하여 점차 점유율이 높아지도록 함
운영체제란 무엇인가?
운영체제란?
컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어, 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
운영체제의 의미
좁은 의미의 운영체제 (커널)
운영체제의 핵심으로, 메모리에 상주하는 부분
넓은 의미의 운영체제
커널 뿐만 아니라, 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념
운영체제의 목적
컴퓨터를 편리하게 사용할 수 있는 인터페이스 제공
컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리 (소프트웨어, 하드웨어 모두)
각각의 사용자는 하드웨어가 어떻게 실행되는지 모르도록 운영체제가 대행
CPU의 역할
CPU가 컴퓨터의 두뇌이긴 하나, 판단하는 능력은 없고 써져있는대로 빠르게 계산하고 실행함
따라서 어떻게 보면 컴퓨터의 두뇌는 CPU보단, 운영체제라고 볼 수도 있음
CPU는 계산을 하고, 메모리는 기억을 하는 존재
운영체제의 역할
운영체제는 효율적으로 관리 및 운영하는 통치자의 역할이라고 보면 됨
한정된 메모리 공간에 동시에 여러 프로그램이 올라가면 적절히 할당하는 역할
운영체제의 분류
동시 작업 가능 여부
단일 작업 (single tasking)
한번에 하나의 작업만 처리
e.g. MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없었음
다중 작업 (multi tasking)
동시에 두 개 이상의 작업 처리
다중 사용자가 쓸 수 있도록 보안/권한 문제에 대한 해결 필요
e.g. UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램 수행 가능
사용자 수
단일 사용자 (single user)
e.g. MS-DOS, MS Windows
다중 사용자 (multi user): 동시 접속
UNIX, NT server
다중 사용자가 쓸 수 있도록 보안/권한 문제에 대한 해결 필요
처리 방식
일괄 처리 시스템 (batch processing OS)
작업 요청의 일정량을 모아서 한꺼번에 처리
작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
e.g. 초기 입출력하던 Punch Card 처리 시스템
e.g. ‘사용자를 생각해서 바로 결과를 보여주지 않고, 내가 편한대로 하겠다!’
시분할 시스템 (time sharing OS)
여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
Interactive한 방식: 사용자를 생각해서 바로 결과를 보여줌
컴퓨터를 동시에 사용해도, 시간을 분할해서 마치 혼자 사용하는 것처럼 보여줌
e.g. UNIX, 보통의 사용자가 이용하는 시스템
실시간 시스템 (Realtime OS)
정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
Deadline이라는 개념이 존재하고, 반드시 만족해야 함. 어기면 아주 치명적인 결과를 초래함
e.g. 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로봇 제어
경성 실시간 시스템 (Hard realtime system)
Deadline을 어기면 상당히 치명적
연성 실시간 시스템 (Soft realtime system)
Deadline을 어기면 상대적으로 덜 치명적
e.g. 동영상 플레이어 재생 시 프레임이 찍히지 않으면 영상이 끊김
용어 정리
아래 용어들은 컴퓨터에서 여러 작업들을 동시에 수행하는 같은 의미이나, 조금씩 강조하는 바가 다름.
Multi-tasking
Multi-process
Multi-programming
memory 측면을 강조한 것
memory 위에 동시에 여러 프로그램들이 올라가 있다는 의미
Time sharing
CPU 측면을 강조한 것
주로 CPU의 시간을 분할하여 쪼개 쓴다는 의미
아래 용어는 아예 다른 의미
Multi-processor
하나의 컴퓨터에 CPU(Processor)가 여러 개 붙어 있음을 의미
다만, 일반적인 환경은 아니고 고성능 컴퓨팅, 클라우드 컴퓨팅 분야에서 다룸
운영체제의 예시
UNIX
역사
원래는 하드웨어적인 것도 관리가 필요해 assembly 언어로 개발이 매우 어려웠음
이후 C언어의 등장으로 개발 및 수정이 수월하고 사람이 이해하기 편해짐
특징
코드의 대부분을 C언어로 작성
C언어는 여러 아키텍처에서 호환이 되므로 높은 이식성을 가짐
서버를 위한 운영체제 → 따라서 여러 프로그램, 여러 사용자 관리 필요
최소한의 Kernel 구조
오픈 소스
프로그램 개발과 확장이 용이
버전이 다양함 (e.g. Linux의 경우, 오픈소스이므로 이것을 기반으로 발전중)
DOS (Disk Operating System)
역사
MS사에서 1981년에 IBM-PC를 위해 개발
특징
단일 사용자용 운영체제
메모리 관리 능력에 한계가 있음 (주 기억장치: 640KB)
MS Windows
특징
MS사의 다중작업용 GUI 기반 운영체제
Plug and Play: 컴퓨터에 하드웨어를 연결하면 별도의 사용자 조작이나 프로그램 설치 없이 바로 사용할 수 있음
네트워크 환경 강화
DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
풍부한 지원 소프트웨어
운영체제의 구조
컴퓨터 시스템의 구조
Mode bit
Mode bit이란?
사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호장치
Mode bit의 필요성
CPU가 사용자 프로그램에 넘어가면 운영체제는 제어할 수 없기 때문
CPU에서 기계어를 실행할 때 운영체제 or 사용자 프로그램이 실행하는지 구분하는 존재가 필요함
CPU가 제어 가능한 위치가 아닐 때 (다른 일을 하고 있을 때) mode bit이라는 것을 두어서 권한 제어를 하는 것
즉, Mode bit은 안전한 기계어만 실행할 수 있게끔 하여 시스템을 보호하는 역할
Mode bit의 종류
Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원
0 (모니터 모드, 커널 모드, 시스템 모드)
운영체제가 CPU를 실행 중일 때 (OS 코드 수행 중) 무슨 일이든 해도 되는 상황
단, 운영체제가 사용자 프로그램에게 넘겨줄 때는 1로 바꿔서 넘겨줌
특권 명령(위험한 명령어)는 0일 때만, 운영체제만 실행 가능
1 (사용자 모드)
사용자 프로그램 수행
사용자 프로그램이 CPU로 안전한 기계어만 실행할 수 있도록 함
Mode bit의 원리
보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드(0)에서만 수행 가능한 특권 명령. 즉, 위험한 명령어으로 규정
반대로, 사용자 프로그램에 CPU 사용 중, 특권 명령임에도 사용자 모드(1)인 상황이라면, 권한에도 없는 기계어를 실행한다고 확인 후, 자동으로 CPU가 운영체제에게 넘어감 (→ Interrupt와 Exception이라고 함)
Exception 상황 발생 시, 다시 모니터 모드(0)로 전환되어 자동으로 CPU가 운영체제에게 넘어감
사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전까지는 모니터 모드(0)로 실행되어야 하고, 사용자 프로그램이 실행되는 동안 Mode bit은 1로 설정됨
Mode bit 전환 방식
Exception
권한이 없는 기계어 실행 시, Mode bit이 0으로 바뀌면서 CPU 사용권이 운영체제에 넘어감
이는 권한이 없는 작업을 실행하려고 할 때 발생하는 Exception을 뜻함
Interrupt의 개요
Interrupt line에서 매 순간 기계어를 읽다가, 다음 기계어를 읽기에 앞서, line에서 I/O 장치들이 준 Interrupt가 들어온건 없는지 체크
만약 Interrupt가 들어왔다면 CPU는 자동으로 운영체제에게 넘어감 → Mode bit이 0으로 바뀜 → 운영체제가 CPU를 잡아서 그 Interrupt에 대응함
이는 CPU Interrupt를 의미 (from Disk controller, I/O controller, etc.)
Registers
Registers란?
연산의 input과 output을 저장하기 위한 빠르고 작은 크기의 것으로, CPU에 붙어 있음
Registers의 종류
PC (Program Counter) Registers
다음번에 실행할 기계어의 memory의 주소를 가지고 있음 → 주소를 가리키고 있다는 뜻
CPU는 PC Registers가 가리키고 있는 memory 주소의 기계어를 실행
실행이 끝나면 그 다음 위치의 기계어를 실행
CPU Interrupt가 발생하면 PC Registers가 OS의 메모리 주소를 바라보고, 권한이 OS에 넘어간다. (즉, mode bit은 0이 된다)
Timer
Timer란?
프로그램으로부터 CPU 사용권을 빼앗아 오는 것
Timer의 역할
일정 시간이 지나면 Interrupt 를 발생 → CPU의 사용권을 뺏어오는 역할
CPU 사용권을 뺏어오는 작업은 OS가 혼자 할 수 없음
정해진 시간이 흐른 뒤 OS에게 제어권이 넘어가도록 Interrupt를 발생
CPU의 독점을 막기 위한 부가적인 hardware가 필요 → 바로 Timer
Time sharing을 구현하기 위해 널리 이용되며, 시간 계산 목적으로도 사용됨
Timer의 동작 방식
Timer는 매 clock tick 마다 1씩 감소
Timer 값이 0이 되면 Timer Interrupt가 발생
운영체제가 사용자 프로그램에게 넘길 때 그냥 넘기는 것이 아닌, Timer에 시간을 세팅하고 넘겨줌
따라서 무한루프를 돌면서 CPU를 계속 쓰고 싶더라도 Timer가 CPU에게 interrupt를 걸기 때문에 CPU의 제어권이 운영체제에게 넘어옴 → 운영체제가 다른 프로그램에게 CPU 사용권을 넘겨주는 방식
Interrupt의 추가 설명
Interrupt란?
Interrupt 당한 시점의 Registers와 PC Registers를 save한 후, CPU의 제어를 Interrupt 처리 루틴에 넘기는 것
즉, CPU에 붙어 있는 Interrupt line이 세팅되어 다음 기계어를 실행하기 전에, CPU 제어권을 자동으로 운영체제에게 넘어가게 하는 것
Interrupt의 두 가지 의미
Interrupt (Hardware Interrupt)
하드웨어가 발생시킨 Interrupt로, 더 일반적인 의미의 Interrupt
e.g. Timer, Disc Controller 등
Trap (Software Interrupt)
개별 프로그램이 운영체제에게 CPU를 넘기기 위해 소프트웨어가 발생시키는 Interrupt
e.g. Exception, System Call
Interrupt 관련 용어
Interrupt Vector
해당 Interrupt 처리 루틴 주소를 가지고 있음
운영체제의 어떤 코드를 실행해야 하는지 Interrupt 종류별로 실행할 코드의 위치를 담고 있음
일종의 주소에 대한 포인터라고 할 수 있음
Interrupt 처리 루틴 (=Interrupt Service Routine, Interrupt Handler)
해당 Interrupt를 처리하는 Kernel 함수
정해진 주소로 가면, 무슨 일을 해야 하는지 기계어로 정해져 있음
System Call
System Call이란?
사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 Kernel 함수를 호출하는 것
만약 I/O를 하고 싶은데 운영체제만이 할 수 있는 상황이라면, 스스로 Interrupt를 거는 것 → System Call
CPU를 운영체제에 넘기고자 할 때 직접 PC(Program Counter)를 넘길 수 없기 때문에, 프로그램이 자신의 기계어를 통해서 Interrupt line 세팅 → Interrupt 발생 (여기서는 Software Interrupt)
System Call의 원리
CPU가 I/O를 요청하는 명령어는 전부 특권 명령어로 묶여 있음
즉, 사용자 프로그램이 직접 실행할 수 없음
mode bit이 사용자 모드(1)일 때는 특권 명령을 수행할 수 없기 때문
따라서 운영체제에게 대신 해 달라고 요청(System Call) 필요
사용자 프로그램 위치에서 기계어 실행되다가 → 운영체제에게 CPU 사용권을 넘김
이때, 기계어가 실행되는 점프 발생 (프로그램의 가상 메모리를 가로질러 점프)
Device Controller
I/O Device Controller란?
해당 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
제어 정보를 위해 control register, status register 를 가짐
local buffer를 가짐 (일종의 data register)
Device Controller의 원리
I/O 는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
Device Controller는 I/O 가 끝났을 경우 Interrupt 로 CPU에게 그 사실을 알림
Device Driver에서 수행되는 코드는 '펌웨어' 라고 함
I/O 장치의 펌웨어라는 미리 코딩된 프로그램이 들어 있기에 동작이 됨
Device Controller 용어 정리
Device Driver (장치 구동기)
OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 → software
CPU가 device controller에게 부탁을 하는 기계어
컴퓨터 내부에서 CPU가 수행하는 코드
Device Controller (장치 제어기)
각 장치를 제어하는 일종의 작은 CPU → hardware
Device Controller가 수행하는 코드가 아닌, CPU가 수행하는 코드
OS에 CPU가 넘어가는 경우들
(1) 진정한 의미의 Interrupt
Hardware 장치들이 Interrupt를 걸어 CPU가 넘어가는 경우
(2) System Call
사용자 프로그램 Software가 직접 Interrupt line을 세팅해서 CPU가 넘어가는 경우
(3) Trap
프로그램 본인에 요구에 의해 CPU가 넘어가는 경우 (Interrupt 라고는 할 수 없음)
다만 넓은 의미 Interrupt 즉, Trap정도로 해석
(4) Exception
권한이 없는 기계어를 실행하는 경우
스스로 Interrupt가 걸려서 CPU가 넘어가는 경우
CPU를 내려놓는 경우
사용자 프로그램이 CPU를 가지고 있다가 다른 프로그램이나 운영체제에게 넘어가거나, 내려놓는 경우
(1) 타의에 의한
CPU를 쓰고 싶은데 독점권을 빼앗기는 경우
e.g. Timer Interrupt
(2) 자의에 의한
더이상 CPU를 사용하고자 하지 않는 경우
e.g. 오래 걸리는 I/O 작업 시 (CPU를 가지고 있어도 I/O가 끝날 때까지 기다려야 하기 때문)
현대의 운영체제는 Interrupt에 의해 구동
운영체제는 아무 일도 안하고, Interrupt가 들어올 때만 일한다는 의미
운영체제도 하나의 프로그램이기에, 막강한 권력을 가지고 CPU를 빼앗을 수 있다는게 아니라, Interrupt가 들어오는 한 해 사용할 수 있음
운영체제의 역할이 필요할 때는 CPU 독점을 막기 위해 항상 Interrupt에 의해 넘어가도록 함
동기식 입출력과 비동기식 입출력
(1) 동기식 입출력 (synchronous I/O)
I/O 에서 일어나는 작업과 CPU에서 일어나는 작업이 시간적으로 잘 맞아야 하는 경우
CPU가 I/O 요청 후, 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
즉, Disc에게 I/O 요청 후, I/O가 끝나면 컨트롤러가 Interrupt → 결과를 보고 서로 조율하며 그 다음 step을 밟아 나감
비동기식보다 더 일반적인 입출력 방식임
동기식 입출력 구현 방법 1
I/O가 끝날때까지 CPU를 낭비시킴
매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
동기식 입출력 구현 방법 2
I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
마냥 기다리고 있으면 CPU가 낭비되기 때문
I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
기다리는 동안에는 다른 프로그램에게 CPU를 넘겨줌
(2) 비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
I/O 에서 일어나는 작업과 CPU에서 일어나는 작업이 맞지 않아도 되는 경우
I/O가 시작된 후, 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
즉, CPU가 Disc에 요청하면, 요청과 결과와는 무관하게 요청받은 다음 일을 알아서 함
동기식, 비동기식 모두 I/O의 완료는 Interrupt로 알려줌
DMA (Direct Memory Access)
DMA의 필요성
Interrupt가 너무 자주 걸리면 → overhead
따라서 Interrupt의 빈도를 줄이기 위해 사용됨
DMA란?
Device Controller가 CPU의 개입 없이 직접 Memory와 통신할 수 있도록 하는 메커니즘
간혹 빠른 속도를 가진 I/O 장치를 Memory에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용됨
즉, DMA는 CPU의 개입 없이 메모리와 장치 사이에서 데이터 블록을 직접 copy 하여, Interrupt의 빈도를 줄이고, CPU의 효율성을 향상시킴
DMA의 작동 원리
Memory에 접근할 수 있는 장치는 CPU 뿐이기에, 원래는 CPU가 매번 Device Controller의 Interrupt에 의해 움직임 → 때때로 비효율적
Device Controller가 DMA를 통해 데이터 블록을 Memory에 전송할 수 있고, 데이터 블록 전송이 완료되면 DMA Controller는 CPU에게 Interrrupt를 발생시킴
정리하자면, Memory에 직접 접근할 수 있는 DMA이라는 메커니즘을 하나 더 두어서 → Device에서 읽은 내용을 CPU Interrupt 없이 Device Controller가 직접 메모리에 올려두는 작업을 하고 → 작업이 끝나면 CPU에게 Interrupt를 걸어서 한번에 알려준다.
DMA 사용 시 장점
위와 같이 한다면 Interrupt가 덜 빈번하게 발생하여 CPU가 효율적인 동작을 할 수 있음
서로 다른 입출력 기계어
I/O를 기계어를 통해 수행하는 두 가지 방법
(1) I/O만 전담하는 기계어를 두는 방법
CPU에서 기계어 실행 시, 요청하는 기계어가 따로 있음
Memory에 접근하는 기계어 따로 있고, I/O 수행하는 기계어가 따로 있음
(위 그림에서 좌측) Device Addresses + Memory Addresses
(2) 메모리 접근 기계어가 I/O에 접근까지
메모리 주소를 실제 메모리 뿐만 아니라, I/O 장치에도 Primary Memory에 주소를 연장하고, 메모리 접근하는 기계어를 통해 I/O에 접근
(위 그림에서 우측) Memory Addresses만
Last updated