[컴퓨터시스템] Computer structure (반효경 교수 수업)

 

 

 

※ CPU는 메모리랑만 일하는데, 프로그램이 실행되다가 파일을 읽거나 scanf으로 읽어와야 할 일이 있을 때 CPU는 읽어 오라고 DMA controller에게 시킨다. 주변 기기들과의 의사소통을 한다. 

 

운영체제가 timer의 도움을 받아서 프로그램들을 처리해나간다. Time sharing. 

 

Mode bit 
1 사용자 모드 
2 커널 모드

• mode bit이란, 제어권이 운영체제가 가지고 있는지, 사용자 프로그램이 가지고 있는지에 대한 표시.
• mode bit이 0 경우, 운영체제가 CPU를 들고있는 것이고 모든 명령을 할 수 있는 상태 (I/O 접근까지도)
• 운영체제가 사용자프로그램에 넘겨줄 때, mode bit을 1로 변경해주고 넘겨준다.
• mode bit이 1 경우, 사용자 프로그램이 제어권을 가지고 있어, 제한된 영역만 접근할 수 있다. 
  • mode bit의 목적 : 사용자 프로그램의 잘못으로 초래할 수 있는 위험을 막기 위함.

 

 

 

Timer
정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트 발생

• 타이머는 매 클럭 틱마다 1씩 감소 (설계시 참고)
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
• CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것을 보호한다.
• Time sharing이 구현되게 한다. 

 

I/O device controller
해당 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU

• 제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐
• local buffer를 가짐 (일종의 data register) : data를 담은 주머니
• buffer에 data가 쌓이면 CPU interrupt가 걸려 본인의 주소로 옮겨온다. (-> 너무 자주 발생해서 CPU 제 일을 못함 그래서 DMA controller를 사용함 -> CPU와 DMA controller가 동시 접근하지 못하게 Memory controller 사용)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 Interrupt로 CPU에게 그 사실을 알림

 

DMA controller
특정 하드웨어 하위 시스템이 CPU와 독립적으로 메인 시스템 
메모리에 접근할 수 있게 해주는 컴퓨터 시스템의 기능이다.

 

 

• device driver (장치 구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리 루틴 -> software
• device controller (장치 제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware

 

궁금한 점
1. DMA controller로 하위 하드웨어가 메모리에 접근이 가능한데, 위험한 건 아닌지?
   -> DMA controller 작동 방식 공부 

 

기본적으로 모든 입출력(I/O) 명령은 특권 명령이다. 

입출력(I/O) 수행 과정은 어떤가? 

• 시스템 콜 : 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
• Trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
• 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
• 올바른 I/O요청인지 확인 후 I/O 수행
• I/O 완료 시 제어권을 시스템 콜 다음 명령으로 옮김

궁금한 점
1. Trap이 무엇인가? => 소프트웨어적으로 인터럽트를 한다. why it uses? 
2. 제어권이 인터럽트 벡터가 가리키는 인터럽트 서비스 루팅으로 이동했다는 말은 무엇인가?
3. 올바른 I/O 요청이라는게 무엇인가? 

 

인터럽트 (Interrupt)
인터럽트를 당한 시점에서 레지스터와 PC를 Save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다. 

 

• Interrupt (넓은 의미)
  • Interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트 (ex. 특정 프로그램이 독점하는 걸 방지하기 위해 사용하는 timer, 또는 키보드 사용이 끝났다는 걸 말해주기 위한 conroller 등으로 생김)
  • Trap (소프트웨어 인터럽트)
    1. Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
    2. System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우 
       • 사용자 프로그램 실행 도중에 I/O입출력을 하려면 직접 CPU를 조작할 수 없기 때문에 직접 interrupt를 하고(mode bit 1 -> 0, 의미는 CPU가 사용자 프로그램에서 OS로 사용권이 넘어감), 그리고 OS에게 system call을 한다. 

인터럽트 관련 용어
1. 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
2. 인터럽트 처리 루틴 (=Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러) : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

 

 

동기식 입출력(synchronous I/O) : I/O 요청 후 입출력 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램으로 넘어감
  . 구현 방법 (입출력이 완료된 이후에 실행)
    - I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
    - 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
  . 구현 방법2 (입출력 완료된 후 그 프로세스는 실행되지않고, 다음 프로세스로 넘어가는 방식)
    - I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
    - I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 세움
    - 다른 프로그램에게 CPU를 줌

비동기식 입출력 (asynchronous I/O) : I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램으로 즉시 넘어감

위 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌

 

 

서로 다른 입출력 구조

  - 오른쪽이 memory mapped I/O : 메모리 주소의 연장선으로 I/O device address를 부여함. 

 

 

 

저장장치 계층 구조

- Speed/Cost : 위로 올라갈수록 빠르다. 

- Volatility : Primary가 Volatility적이다. 휘발성이다.  

 

프로그램 실행

프로그램이 실행되면 메모리에 로드되고, 프로세스마다의 독립된 가상주소 공간이 만들어진다.

2021.12.15 - [컴퓨터시스템] - [컴퓨터시스템] 가상메모리 (Virtual Memory)

[컴퓨터시스템] 가상메모리 (Virtual Memory)

 

함수 (Function)

• 사용자 정의 함수
• 라이브러리 함수 
• 커널 함수 : 운영체제 프로그램 함수이며, 시스템 콜

사용자 정의함수에서 시스템 콜을 할 경우, 프로세스 A Address space code에서 interrupt하고 CPU제어권을 사용자에서 운영체제로 넘겨서 커널함수가 실행하게 된다.