KOCW_Computer System Structure / Kernel / Interrupt / System Call

✅ 컴퓨터 시스템 구조

• 컴퓨터 부팅
• 운영체제는 메모리에 올라감

• 프로그램은 디스크에 저장되어 있다가 실행되면 메모리에 올라감

• I/O 장치에는 그들만의 CPU가 있는데, 이를 디바이스 컨드롤러라고 한다.

• 운영체제가 CPU를 쓸 떄는 문제가 없는데,
• 응용 프로그램이 CPU를 사용할 떄는 문제가 생길 수 있다. (예를 들어 CPU를 계속 잡아먹는 연산을 한다거나..)
• 그래서 운영체제가 CPU를 쓰는건지 🆚 응용 프로그램이 쓰는 건지 구별할 필요가 있다.

💡 Device Controller

• 각 하드웨어, I/O 디바이스에 붙어있는 각각의 작은 CPU

• 예시: 메모리에 붙어있는 메모리 컨트롤러, 디스크에 붙어있는 디스크 컨트롤러

• 실제 I/O작업은 Device Controller를 통해서 디바이스에 전달된다.
• 하드웨어
• 제어 정보를 위해 control register, status register을 가진다.
• local buffer을 가진다. (일종의 data register, 임시저장)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어난다.

• Device Controller는 I/O가 끝나면 interrupt로 CPU에 그 사실을 알린다.

• Device Controller 안에서 사용되는 명령어는 firmware라고 불린다.

🆚 Device Driver

CPU가 device에게 I/O를 부탁할 때 쓰이는 명령어

• CPU가 수행하는 코드

💡 Mode bit

CPU를 운영체제가 쓰는 건지, 응용 프로그램이 쓰는건지 구별하기 위한 장치

• 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램/운영체제에 피해가 갈 수 있다.
• 그래서 운영체제가 CPU를 쓰는건지 🆚 응용 프로그램이 쓰는 건지 구별을 해야 함

• 이 장치가 바로 mode bit

• mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

  • 0: 모니터 모드(커널 모드, 시스템 모드), OS코드 실행
  • 1: 사용자 모드, 사용자 프로그램 수행
• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 0, 모니터 모드에서만 수행 가능
• interrupt, exception 발생 시 0, 모니터 모드 로 변경
• 사용자 프로그램에게 CPU를 넘길 때는 1, 사용자 모드로 modebit을 바꿔서 넘긴다.

💡 Program Counter

• Program counter, PC: CPU가 실행할 명령의 메모리 주소를 담고 있는 레지스터
• 기계어 실행 후에는 다음 위치를 가리키고 ➡️ 또 다음 위치

💡 Timer

운영체제와 협력해 특정 프로그램의 CPU 독점을 막기 위한 장치

• 어떤 응용 프로그램이 CPU를 오랫동안 독식하며 다른 프로그램에 피해👎🏻
• 이 때 운영체제가 CPU를 다시 돌려달라고 빼앗아와야 함
• 하지만 운영체제는 CPU를 주는 건 마음대로 할 수 있어도,
• 혼자 힘으로 빼앗아 올 수는 없음!

• 이 때 필요한 것이 timer

• timer는 일정시간마다 interrupt를 발생시킨다.
• 운영체제가 응용 프로그램에게 CPU를 넘길 때, timer를 맞추고 넘겨준다.
• 그래서 일정 시간이 지나면 운영체제에게 interrupt가 발생하게 됨 ➡️ 응용 프로그램의 CPU독점을 막음

✅ CPU 연산과 I/O연산

• 컴퓨터가 데이터를 읽는 과정
• ➡️ 외부 장치(I/O)
• ➡️ local buffer 임시저장
• ➡️ 메모리
• ➡️ CPU

✅ 컴퓨터 시스템의 작동 개요

• CPU는 매 시점 메모리의 특정 주소에 존재하는 명령을 하나씩 읽어와 수행한다.
• 이 때 CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고 있는 레지스터를 프로그램 카운터 Program counter, PC라고 한다.
• 즉, CPU는 매번 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 위치의 명령을 처리한다.

✅ 사용자 프로그램이 사용하는 함수

사용자 정의 함수, 라이브러리 함수, 커널 함수

☑️ 사용자 정의 함수

프로그래머가 직접 작성한 함수

• 자신의 프로그램에서 정의한 함수

☑️ 라이브러리 함수

프로그래머가 직접 작성하지는 않았지만, 누군가 작성해 놓은 함수를 호출만 해서 사용하는 것

• 자신의 프로그램에서 정의하지는 않았지만, 내 프로그램에 정의된 함수
• 사용자 정의 함수와 라이브러리 함수는 모두 프로그램의 코드 영역에 기계어 명령 형태로 존재한다.
• 프로그램이 실행될 때마다 프로세스의 주소 공간에 포함됨
• 함수 호출 시에도 자신의 주소 공간에 있는 스택 사용

☑️ 커널 함수

운영체제의 커널 코드에 정의된 함수
커널 함수를 호출하는 것이 바로 system call

• CPU제어권을 운영체제에게 넘겨야 한다.

• 커널함수는 운영체제 커널의 주소 공간에 코드 정의

• ✔️ 커널함수의 두 종류

  • 시스템 콜 함수
  • 인터럽트 처리 함수
• 예를 들어, 삼각 함수 sin()은 라이브러리 함수
• printf() 그 자체로는 라이브러리 함수지만, 궁극적으로 특권 명령인 입출력을 수반하므로 printf() 내에서 커널 함수를 호출하는 시스템 콜을 동반한다.
• 일반적인 함수 호출 🆚 시스템 콜
  • 일반적인 함수 호출: 사용자 프로그램 내에 존재하는 코드 실행
  • 시스템 콜: 운영체제라는 별개의 프로그램에 CPU를 넘겨서 실행
    • CPU를 운영체제에게 넘기기 위해서 인터럽트와 통일한 메커니즘, 즉 CPU의 인터럽트 라인을 세팅하는 방법을 사용한다.

✅ Virtual Memory 구성 요소

• 컴퓨터 프로그램 내부는 함수들로 구성되어 있다.
• 그래서 하나의 함수가 실행되는 와중에 다른 함수를 호출하고, 호출된 함수의 수행이 끝나면 다시 원래 수행하던 함수로 돌아가 프로그램을 계속 실행한다.

• 한편 프로그램이 실행되기 위해서는 해당 명령을 담은 프로그램의 주소 영역이 메모리 위에 올라가 있어야 한다.

• 해당 명령을 담은 프로그램의 주소 영역/공간은 코드 code, 데이터 data, 스택stack으로 구분된다.

✅ 운영체제 kernel구조

• 운영체제도 하나의 프로그램이므로, 운영체제 커널 역시 주소 공간(코드, 데이터, 스택)을 가진다.

• 운영체제의 목적은 1. 아랫단의 하드웨어 자원 효율적 관리, 2. 윗단의 응용프로그램 및 사용자에게 편리한 서비스 제공

• ✔️ kernel code:
  • CPU, 메모리 등 자원 관리 부분 ➕ 사용자에게 편한 인터페이스를 제공하기 위한 부분
  • 또 시스템 콜, 인터럽트 처리 코드
  • 자원 관리 CPU scheduling, memory management위한 코드

• ✔️ kernel data:
  • 각 프로세스의 상태, CPU 사용 정보, 메모리 사용정보 등을 유지하기 위한 자료구조 PCB를 두고 있다.
  • 하드웨어, 소프트웨어를 포함해 시스템 내 모든 자원을 관리하기 위한 자료구조를 가지고 있다.
  • PCB: Process Table and Control Block
  • data structure used by OS to store information about specific process
  • each process has its own PCB, includes details for the OS to manage, control process
  • 현재 프로세스가 10개 실행되고 있다 ➡️ PCB도 10개

• ✔️ kernel stack:
  • 함수 호출 시 복귀주소 저장
  • 현재 실행중인 프로세스마다 별도의 스택을 두어 관리한다.
  • 예를 들어 프로그램 A가 실행되다가 운영체제를 호출하면 stack A에 프로그램 A저장해놓는 식이다

✅ 프로세스의 두 가지 실행 상태

• 프로세스 A가 CPU에서 실행되고 있음
• 1️⃣ 일반적인 함수 호출(자신의 주소 공간에 정의된 코드 실행) ➡️ 사용자 모드
  • 사용자 정의함수, 라이브러리 함수 호출
  • 모드의 변경 없이 사용자 모드에서 실행 지속, modebit 1
• 2️⃣ 커널의 시스템 콜 함수 실행 ➡️ 커널 모드
  • 커널모드로 진입해 커널의 주소 공간에 정의된 함수 실행 modebit 0
• 따라서 프로세스 실행은 사용자 모드와 커널모드를 왔다갔다 하면서 실행

✅ 인터럽트

Device controller는 I/O장치로부터 local buffer로 데이터를 읽어들인다.
이 과정이 끝나면 Device controller는 CPU에게 “나 끝났어!” 보고하고, 이것이 바로 인터럽트

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 저장하고, CPU제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

• CPU 옆에는 인터럽트를 확인할 수 있는 인터럽트 라인이 있다.
• 인터럽트가 발생되면, 인터럽트 라인이 세팅된다.
• CPU는 Program Counter PC가 가리키고 있는 지점의 명령을 하나씩 수행하고 나서, 다음 명령을 수행하기 직전에 인터럽트 라인이 세팅되었는지 확인한다.
• 만약 인터럽트가 발생했으면(timer, I/O장치), CPU는 현재 수행하던 프로세스를 멈추고
• 운영체제 커널의 인터럽트 벡터에서 해당 인터럽트에 대한 인터럽트 처리 루틴을 찾느다.
• 운영체제의 인터럽트 처리루틴으로 이동, 인터럽트 처리를 수행한다.
• 인터럽트 처리를 마치고 나면 인터럽트 발생 직전 프로세스에게 CPU의 제어권이 다시 넘어간다.

☑️ 인터럽트의 종류

• ✔️ 하드웨어 인터럽트(외부 인터럽트):

  • 하드웨어 디바이스 컨트롤러에서 작업이 끝났을 때(입출력) 인터럽트
  • 하드웨어 인터럽트는 하드웨어 device controller이 인터럽트 라인을 세팅한다.

  • timer, 하드웨어에 의해 발생

  • 외부 신호 인터럽트: 타이머 인터럽트, 키보드로 인터럽트 키를 눌렀을 때, 외부 장치로부터 인터럽트 요청이 있는 경우
  • 입출력 인터럽트(I/O interrupt): 입출력장치가 데이터 전송 요구, 또는 끝났을 때, 또는 오류 발생 시
  • 전원 이상 인터럽트(power fail interrupt): 정전, 파워 이상 등
  • 기계 착오 인터럽트(machine check interrupt): CPU기능 오류

• ✔️ 소프트웨어(내부) 인터럽트 Trap:

  • 프로그램에서 자신의 권한 밖의 작업을 수행할 때 운영체제에게 시스템 콜로 인터럽트

  • 소프트웨어 인터럽트는 소프트웨어가 직접 인터럽트 라인을 세팅한다.

  • exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • division by zero, overflow/underflow 등 exception
  • system call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
    • 프로그램 A가 권한 밖 일을 하려고 할 때, modebit을 0으로 설정 후 system call

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• ❓ I/O를 하려면 어떤 인터럽트 종류가 필요한가?
• 하드웨어, 소프트웨어 인터럽트 모두 필요하다.
• 프로그램이 OS에게 system call로 인터럽트 요청을 한다. ➡️ 소프트웨어 인터럽트
• I/O장치가 I/O작업이 끝나면 CPU에게 인터럽트를 한다. ➡️ 하드웨어 인터럽트

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• ❓ 인터럽트 처리 중에 또 다른 인터럽트가 발생하면 어떻게 될까?
• 원칙적으로 인터럽트 처리 중에는 다른 인터럽트가 발생하는걸 허용하지 않는다.
• 이는 데이터 일관성 유지를 위함이다.
  • 인터럽트를 처리하면서 커널에 정의된 데이터를 변경하고 있는데, 다른 인터럽트가 발생해 앞선 인터럽트에서 변경중인 데이터를 또 변경하면 의도하지 않은 데이터 값이 나올 수 있음!
• 하지만 예와가 존재한다. 더 높은 중요도를 가진 인터럽트가 발생하면, 더 낮은 중요도를 가진 인터럽트를 처리하는 와중에 인터럽트 발생을 허용할 수 있다.

☑️ 인터럽트 벡터

인터럽트와 인터럽트 처리에 대한 처리루틴 정보를 가지고 있는 일종의 테이블

• 인터럽트가 발생하는 경우는 여러 가지가 있고(하드웨어/소프트웨어/타이머 등)
• 각 경우마다 실행해야 하는 작업이 다르다.
• 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 인터럽트 벡터라고 부른다.
• 일종의 포인터
• 예시: ~이 경우에는 ~에 있는 주소로 가서 명령어를 살펴봐라

☑️ 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine)

• 인터럽트가 발생했을 떄 CPU가 수행해야 하는 명령어가 바로 인터럽트 처리 루틴
• 그 주소로 가서 정말 실행해야 하는 명령어
• 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

• 예시: ~이 경우에는 ~명령어를 실행해라

• 인터럽트 처리 루틴은 로컬버퍼에 있는 데이터를 메모리로 옮기고, CPU에서 실행할 수 있도록 준비시킨다.
• 인터럽트 처리 루틴은 운영체제 커널에 포함되어 있다.

☑️ 인터럽트 핸들링

• 인터럽트가 발생했을 때 대응 절차
• CPU는 명령어를 실행할 때 CPU의 내부 임시 기억 장치인 register에 저장하거나 읽으면서 한다.
• CPU가 명령 실행 도중 interrupt가 발생하면, 새로운 명령어를 실행해야 하므로 register에 저장된 기존 데이터를 백업해 둔다.
• 이 때 PCB라는 곳에 백업(register, 실행 중이던 메모리 주소, 하드웨어 등 저장)

✅ 시스템 콜

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
자신의 주소 공간을 거스르는 영역에 존재하는 함수를 호출하는 것

• 내 권한으로는 실행할 수 없는 명령을(I/O입출력)
• 운영체제에게 해달라고 요청
• 예를 들어, 사용자 프로그램 A가 실행되다가, 디스크에서 입출력이 필요함
• ➡️ 프로그램 A는 입출력 권한이 없음(입출력은 운영체제만 가능)
• ➡️ 운영체제에게 디스크 컨트롤러에 입출력 해달라고 부탁
• ➡️ 따라서 프로그램 A가 가지고 있던 CPU를 운영체제에게 넘긴다.

• ➡️ 프로그램 A가 시스템 콜을 해서 인터럽트를 건다.

• 자신의 프로그램에서 함수 호출 ❌
• 커널이라는 다른 프로그램의 주소 공간에 존재하는 함수 호출 ⭕️
• 일반적인 함수 호출: 자신의 스택에 복귀 주소 저장 후, 호출된 함수 위치로 점프
• 🆚 시스템 콜: 주소 공간 자체가 다른 곳으로 이동
• 따라서 프로그램 자신이 인터럽트 라인에 인터럽트 세팅하는 명령을 통해 이루어진다.

✅ 인터럽트, 시스템 콜 질문

1. 운영체제한테 CPU가 넘어가는 경우는 어떤 경우가 있나요?

• 모두 인터럽트 라인을 세팅하는 경우
• 하드웨어에서 인터럽트: I/O기기에서 작업을 완료해 CPU에게 완료했다고 알릴 떄 인터럽트
• 사용자 프로그램이 인터럽트: CPU에서 권한 밖의 함수를 호출할 때(예를 들어 I/O) 운영체제 커넬 모드 사용 위해 시스템 콜, 또는 exception이 발생했을 때
• timer에서 인터럽트 할 수도 있음.

1. 사용자 프로그램이 CPU를 빼앗기는 경우

• 사용자 프로그램은 계속 쓰고 싶지만, CPU 독점권을 막으려고 timer에서 타임아웃
• 사용자 프로그램이 I/O가 필요해 기다려야 하는 경우