컴퓨터 시스템의 동작원리

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컴퓨터 시스템의 동작원리를 간략하게 알아봅니다.

구조, 인터럽트, 동기, 비동기, DMA 캐싱 등등을 알아봅니다.

컴퓨터 시스템의 구조.

데이터가 들어오고 (input) / 나가는것 (output) 으로 진행

  • 운영체제는 여러프로그램이 동시에 수행되는 시스템을 위한것
    • 항상 메모리에 올라가있는 일부분이 있어야한다.
    • 그것이 kernel

CPU와 I/O 연산

컴퓨터에서 연산을 한다는것은 무언가 일을 하고 있다는 것

  • I/O 장치는 controller와 local buffer가 있다
    • controller : CPU와 I/O 장치 사이에서 데이터를 가져오거나 보내는 명령을 수행하는 작은 cpu
    • local buffer : 데이터를 임시로 저장하는 작은 메모리
  • 데이터를 다 가져왔는지 CPU가 일일히 확인 polling (자원 낭비)
  • 작업을 마친뒤 신호를 통해 CPU에게 보고하는 방식 interrupt
    • controller가 발생시킨다.

인터럽트의 일반적 기능

인터럽트 관련 업무를 CPU가 수행하도록 만듬.

  • 인터럽트 벡터 : 인터럽트로 인해 수행해야되는 할일을 가르키고 있는 포인터 자료구조
  • 인터럽트 처리루틴 : 인터럽트로 인해 실제로 수행해야 되는 할일을 프로그래밍 해둔것.

  • 인터럽트로 인해 발생한 일을 마친뒤, 돌아갈 장소를 저장해야함 PCB

  • 하드웨어 인터럽트 : 컨트롤러 등 하드웨어 장치가 발생시킴.
  • 소프트웨어 인터럽트 : 소프트웨어가 발생시킴.

프로세스의 주소 공간

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 메모리에 주소공간이 할당됨.

  • Stack
    • 다른 함수를 실행시켰을때, 돌아갈곳 위치 저장.
    • 함수, 지역변수, 매개변수 저장.
  • Data
    • 전역(global)변수, 정적(static)변수등 각종 데이터가 저장되는 공간
    • 모든 함수들이 공유해서 사용할 수 있음.
  • Code
    • 프로그래머가 작성한 코드가 기계어 형태로 저장된것.
  • Heap
    • 동적할당으로 생성된 동적변수를 관리하기 위한 공간
    • 관리가 가능한 데이터 외 다른 형태의 데이터를 관리하기 위한 공간
    • 런타임에 결정된다.

왜 이렇게 분할 했을까?

메모리 사용량의 최적화

  • 데이터를 공유하여 메모리 사용량을 줄인다.
    • Data의 경우 모든 함수들이 공유 한다.
    • Code의 경우 프로그램내 같은 내용이므로 공유 한다

인터럽트 핸들링

인터럽트가 발생한 경우 처리해야 할 일의 절차들

  • 인터럽트가 발생하면, 작업중이것을 PCB에 저장시키고, 인터럽트를 처리하러감.
    • PCB : 현재 수행중이던 메모리주소, 레지스터값, 하드웨어 상태등을 저장하는 자료구조.
  • 인터럽트 처리 코드는 커널 의 코드를 수행하는것
    • 커널의 스택영역을 이용함.
    • 현재 수행중인 프로그램 개수만큼 독립적인 공간을 보유함
      • WHY : 커널은 공유 코드와 같기 때문에
      • 인터럽트 수행도중 다른 인터럽트가 발생하면, 스택을 통해 작업을 관리함.

소프트웨어 인터럽트

Trap 이라고도 불림

  • 예외(exception)
    • 0으로 나누기, 메모리 침범 등등 불가능한 작업을 시도
    • 종료시켜버림
  • System call
    • 자신이 작성하지 않은 코드를 운영체제로부터 서비스 받기 위해 요청.
    • 운영체제에 정의된 함수를 호출하는 것

운영체제는 인터럽트 발생시에만 CPU를 얻는다.

입출력 구조

컴퓨터 시스템이 외부의 주변 장치들과 데이터를 주고 받는것

  • 동기화 : 맞추어 진행하다.
    • 동일한것들 가지는것
    • 동일하게 하는것.

동기식 입출력

프로그램이 입출력 업무 수행을 마친 뒤에서야 그 프로그램이 다시 CPU를 얻을 수 있는것.

  • I/O 장치는 CPU보다 몹시 느리다
  • 입출력 업무를 하는동안 CPU를 잡고 있으면 자원의 낭비가 크다
  • 작업중인 프로그램은 blocked state로 전환시킨다. CPU를 뺏어가 다른 프로그램을 수행한다.
    • blocked state : CPU를 할당받을 수 없는 상태
    • 업무가 마치면 인터럽트를 통해 해제시킴
  • 만약 다른 프로그램이, 사용중인 같은 자원에 접근한다면?
    • queue에 줄세워서 순차적으로 진행시킨다
  • 데이터를 주고 받는 순서가 중요할때 사용되어짐.

비동기식 입출력

프로그램이 바로 CPU를 다시 획득하는것

  • 프로그램이 작업을 수행중이지만, CPU를 계속 잡고 있는것.
  • 동기식이 아니다. 바로 다른 작업을 수행하는것.
  • 동기식과 마찬가지로, 업무가 끝나면 인터럽트를 발생시켜 업무가 끝났음을 보고함.
  • 다수의 작업처리에 유용하다.

DMA (Direct Memory Access)

로컬버퍼와 메모리사이의 데이터를 옮겨주는 일을 수행

  • 메모리 접근 연산이 CPU로만 이루어지면 매번 CPU에게 요청해야함. 비효율적
  • CPU가 자주 인터럽트 요청을 받는것을 방지
  • CPU의 작업을 대행함.
    • block이라는 큰 단위로 메모리에 가져옴.
    • 작업을 마친뒤에 CPU 에게 인터럽트 발생.

저장 장치의 계층구조

용량이 작을수록 비싸고 성능이 좋다.

  • 휘발성
    • 성능순 : register > cache memory > memory
  • 비휘발성
    • 성능순 : magnetic disk > opical disk > magnetic tape

캐슁 기법

상대적으로 용량이 적은 빠른 저장 장치의 성능향상을 위한 총체적 기법

  • 필요한 정보만을 선별적으로 저장하면 성능에 유리해짐
  • 당장 사용되거나, 빈번하게 사용될 정보를 빠른 저장장치에 선별하여 저장
  • 프로그램은 모든부분이 균등하게 참조되는것이 아니라, 일부분이 집중적으로 참조 되어짐.

지역성(Locality)

적중률 (Hit rate) 를 위해 이용하는것

  • 시간 지역성 : 최근에 참조된것이 또 참조될 가능성이 높다.
  • 공간 지역성 : 실제 참조된것과 인접한 내용이 다시 참조될 가능성이 높다.

캐싱 라인

캐시에 데이터를 묶어서 저장하는 자료구조

  • 내가 원하는 데이터를 캐시에서 찾는것 역시 시간 낭비
  • 캐시에 목적 데이터가 있을때 바로 접근할 수 있도록해줌.
    • 데이터의 메모리 주소도 같이 저장.

하드웨어의 보안

다중 프로그래밍 환경에서의 보안

  • 프로그램간의 충돌을 방지 해아함.

  • 디스크에 자유롭게 접근이 가능하다면, 다른 사람의 정보에 접근 가능해짐 제한이 필요함.

  • mod bit를 이용하여 커널모드, 사용자모드 두가지로 나눔
    • mod bit는 하드웨어적인 지원이 필요함. 0인 경우 커널모드

커널모드

운영체제가 CPU의 제어권을 지님

  • 모든 종료의 명령을 다 시행할 수 있음.

사용자모드

제한적인 명령만 수행할 수 있음.

  • 시스템에 중요한 작업은 커널모드에서만 수행 할 수 있게 제한을 둠.
  • 권한밖의 작업은 System call을 이용해 대행을 요청함.

메모리 보안

다른 프로그램의 메모리 영역을 침범하지 않게 해야함

  • 프로그램들은 메모리에 동시에 올라가서 실행되어짐
  • 제한을 두지 않는다면, 다른 메모리 영역을 침범하여 데이터를 조작 할 수 있게됨
  • 만약 운영체제의 커널 부분을 침범한다면? 심각한 오류

기준, 한계 레지스터 (하드웨어적인 지원)

프로그램별로 접근이 가능한 범위를 제한함.

프로그램이 메모리에 연속적으로 위치할때의 경우

  • base : 프로그램이 접근할 수 있는 가장 작은 메모리 주소
  • limit : 접근 할 수 있는 메모리의 범위를 표시하고 있음.

입출력과, 메모리의 차이

  • 입출력 명령은 커널 모드 에서만 가능
  • 메모리 접근은 사용자 모드 에서도 가능
  • 하지만, 기준 한계 레지스터의 값을 세팅하는 것은 특권 명령으로 설정해야함.

CPU 보호

CPU의 독점을 방지함

  • Timer 하드웨어를 이용하여 일정시간이 지나면 interrupt을 발생시킴
  • 한 프로그램이 CPU를 독점하지 못하게 뺏어옴.
  • 시분할 시스템에서 사용하는 방식.
    • 시분할 시스템 : 여러 프로그램이 CPU를 조금씩 나누어 사용하는 방법.

시스템 콜을 이용한 입출력 수행

사용자 프로그램이 OS에게 일을 대행시킴

  • I/O 입출력과 같은 것은 사용자모드 에서 사용불가능
  • System call을 이용하여 trap을 발생시키고 CPU에 대한 제어권을 OS로 이양
    • OS가 일을 대행함

Reference