Operating System Concepts - (2)

Posted Jul 14, 2024

By Hyeon Jae Kim

28 min read

컴퓨터 시스템의 구조 (Ch2)

하드 디스크는 input device/output device 둘 다의 역할을 한다.
- cpu안에는 memory보다 빠른 저장 공간이 있음. 이를 register라고 함.
Interrupt line은 항상 프로그램이 memory 영역만을 사용해서 작동하기는 어렵기 때문에, I/O device 접근을 위해 프로그램 실행 중 interrupt를 걸어 해당 device에서 데이터를 읽거나 쓴다.

Mode Bit (p.26 참조)

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요.
cpu는 항상 interrupt line을 체크해 프로그램 실행 중 interrupt가 발생했는지를 확인함.
트랩이나 인터럽트가 발생할 때마다, 하드웨어는 사용자 모드에서 -> 커널모드로 전환.(즉 mode bit를 0으로 변경)
Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

1 (User mode) : 사용자 프로그램 수행 운영체제가 CPU에서 실행중. 모든지 실행을 할 수 있음. 0 (Monitor mode, kernel mode, system mode) : OS Code 수행

보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 “특권 명령”으로 규정
Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
사용자 프로그램에게 CPU넘기기 전 mode bit 1로 세팅

Timer (p.28 참조)

타이머 : 사용자 프로그램이 무한루프(Infinite loop)에 빠지거나 시스템 서비스 호출에 실패하여, 제어가 운영체제로 복귀하지 않는 경우가 없도록 방지해야한다.
- 정해진 시간이 흐른 뒤(초기에 정해진 시간을 할당함) 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트 하도록 설정할 수 있다.
- Timer는 특정 프로그램이 cpu를 독점하는 것을 막기 위한 역할을 수행함. Timer에 값을 세팅한 후 프로그램을 cpu에 전달함. 세팅한 시간이 지나면 interrupt를 걸어 프로그램이 멈추도록 함.
- 타이머는 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
- 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
- CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨.
타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용됨.

Interrupt (인터럽트) (p.540 참조)

Interrupt(인터럽트) 컨트롤러가 장치 드라이버에게 작업을 사실을 어떻게 알릴까? 인터럽트를 통해서!

하드웨어는 어느 순간이든 시스템 버스를 통해 CPU에 신호를 보내 인터럽트를 발생시킬 수 있다. 인터넙트는 운영체제와 하드웨어의 상호 작용 방식의 핵심 부분이다.
즉 컴퓨터에서 신호를 보내 이벤트 발생을 알리는 것을 의미한다.
보통 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 처리하는데, 기존 작업을 중단하고 타 작업을 진행해야 할 때 인터럽트 신호를 보내 기존작업을 중단하라고 신호를 보낸다. 그러면 커널이 작업을 멈추고 인터럽트 처리한 뒤 기존 작업으로 돌아온다.
Trap(트랩) : 소프트웨어에 의해 발생하는 인터럽트
하드웨어는 System Bus(시스템 버스) 를 통해 CPU에 신호 보내서 인터럽트 발생시키고, 소프트웨어는 System Call(시스템 콜) 이라는 명령으로 인터럽트 발생시킨다.
인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save 한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.
Interrupt(넓은 의미)
- interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트. 일반적인 의미의 interrupt.
- trap (소프트웨어 인터럽트)
  - Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
  - System Call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
인터럽트 관련 용어
- 인터럽트 벡터
  - 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음.
- 인터럽트 처리 루틴 ( = Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)
  - 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

System Call(시스템 콜) (p.24, 26 참조)

시스템 콜

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
Trap : 하드웨어 인터럽트와 다르게 Trap(트랩, 또는 오류)가 있는데, 이는 Exception(ex: 0으로 나누거나 유효하지 않은 메모리 엑세스) 또는 사용자 프로그램의 특정 요청 때문에 발생하는 소프트웨어 생성 인터럽트이다.
이 특정 요청은 시스템 콜이라는 특수 연산을 실행하여 요청되고 운영체제가 제공하는 서비스가 수행될 것을 요구한다.

I/O Structure (입출력구조) (p.15 참조)

동기식 입출력과 비동기식 입출력(p. 550참조)

동기식 장치는 시스템의 다른 측면과 조율하여 일정한 응답시간을 보인다. 반면 비동기식 장치는 다른 이벤트와 조율 없이 불규칙한 혹은 예측 불가능한 응답시간을 보인다.
동기식 입출력(Synchronous I/O)
- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
- 구현방법 1
  - I/O가 끝날 때까지 CPU 낭비시킬 수 있음
  - 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
- 구현방법 2
  - I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에서 CPU 빼앗음
  - I/O처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄세움
  - 다른 프로그램에게 CPU 제공
- 비동기식 입출력(Asynchronous I/O)
  - I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

+ 추가 설명

입출력을 요청한 프로세스가 입출력이 끝날 때까지 대기상태일 경우 동기식 입출력.
입출력을 요청한 프로세스가 종료시까지 대기하지 않고 CPU가 새로운 instruction를 실행할 경우 비동기식 입출력.

#### * 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌

I/O Device Controller

해당 I/O 장치 유형을 관리하고 제어하는 일종의 작은 CPU – cpu보다 device가 처리 속도가 느리기 때문에 이러한 처리를 관리해주는 역할을 device controller가 수행함.
제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐 (CPU의 지시를 위한 register) – cpu안에는 memory보다 빠른 저장 공간이 있음. 이를 register라고 함.
local buffer를 가짐 (일종의 data register), local buffer는 일종의 각 디바이스 별 작업 공간.
I/O는 실제 Device와 Local Buffer 사이에서 일어남.
Device Controller는 I/O 가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림
device driver (장치 구동기) : OS Code 중 각 장치별 처리 루틴을 의미함 -> Software 영역
device Controller (장치 제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> Hardware

DMA (Direct Memory Access) 직접 메모리 엑세스 (p.15, 546 참조)

인터럽트 구동 I/O의 형태는 소량의 데이터를 이동하는데는 좋지만 NVS I/O와 같은 대량 데이터 이동에 사용될 때 높은 오버헤드를 유발할 수 있다.
빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

서로 다른 입출력 기계어

I/O를 수행하는 sepcial instruction에 의해
Memory Mapped I/O에 의해

저장장치 계층 구조 (p.14 참조)

internal 기억장치들은 주로 휘발성 기억장치들, external 기억장치들은 주로 비휘발성 기억장치로 구성된다.
CPU가 직접 접근 가능한 primary 저장장치들은 register, cache memory, main memory 이렇게 세가지 이다.
용량이 적을수록 속도도 빠르고 가격이 비싸며, 용량이 클수록 속도도 느리고 가격이 저렴하다.
register와 main memory간의 속도 차이를 줄이기 위해 cache memory 를 사용한다.

프로세스 관리 (Ch3)

프로그램 실행(Memory Load)

각 프로그램마다 독자적인 주소 공간이 생기며, 그 안에는 stack, data, code로 영역이 나누어져 있다.
stack : 함수를 호출하거나 리턴할때 데이터를 임시 보관하는 영역
- 사용자 프로그램마다 커널 스택을 따로 사용함.
data : 변수, 전역 변수 저장. 프로그램이 사용하는 자료구조 영역.
- 프로세스를 관리하기 위한 자료구조(PCB) 저장
- CPU, Memory, Disk를 관리하기 위한 자료구조 저장.
code : 프로그램의 기계어 코드를 저장하는 영역. 커널 코드
- 시스템 콜, 인터럽트 처리 코드
- 자원 관리를 위한 코드
- 편리한 서비스 제공을 위한 코드

커널 주소 공간의 내용

코드 : 커널 코드
- 시스템 콜, 인터럽트 처리 코드
- 자원 관리를 위한 코드
- 편리한 서비스 제공을 위한 코드
데이터 : 모든 하드웨어 관리하는 자료구조들과 모든 프로세스들 관리하는 자료구조(PCB)가지고 있다.
스택 : 각 프로세스별 커넉 스택이 들어간다

사용자 프로그램이 사용하는 함수

함수 (function)
- 사용자 정의 함수
  - 자신의 프로그램에서 정의한 함수
- 라이브러리 함수
  - 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
  - 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다.
- 커널 함수
  - 운영체제 프로그램의 함수
  - 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

프로그램의 실행

내가 정의한 함수 or 라이브러리 함수 실행 : 내 주소공간에 있는 함수가 사용자 모드에서 실행됨
system call : CPU제어권이 운영체제에 넘어가서, 커널모드에서 운영체제 주소공간에 있는 코드가 실행됨

프로세스의 개념

Process is a program in execution (실행중인 프로그램)
프로세스의 문맥(context)
- CPU의 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥.
  - Program Counter
  - 각종 Register
- 프로세스의 주소 공간
  - code, data, stack
- 프로세스 관련
  - PCB (Process Control Block)
  - Kernel stack

프로세스의 상태 (p.121 참조)

프로세스는 상태가 변경되면서 수행된다.
- New(새로운)
  - 프로세스가 생성중인 상태
- Running(실행)
  - CPU를 잡고 Instructionm을 수행중인 상태
- Ready(준비)
  - CPU를 기다리는 상태 (메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
- Blocked (waiting, sleep) (대기)
  - CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
  - Process 자신이 요청한 event (ex. I/O) 가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태 ex) 디스크에서 파일을 얽어와야 하는 경우
  - =>자신이 요청한 event 완료시 Ready
- Terminated(종료)
  - 수행(execution)이 끝난 상태
- Suspended (Stopped) -> 중기 스케쥴러로 인해 발생한 상태
  - CPU에서 뿐만 아니라 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  - 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다. ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지 시킨 경우 (break key) 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
  - 외부적인 이유로 프로세스 정지 - 외부에서 resume해주어야 Active

프로세스 상태도

Process Control Block(PCB) (p.121 참조)

운영체제가 각 프로세스를 관리 및 제어하기 위해 프로세스당 유지하는 상태 정보를 저장해놓은 자료구조
프로세스가 진행됨에 따라 PCB는 변경되기도 하며, 프로세스가 종료되면 PCB도 사라지는 것이 특징이다.
운영체제가 PCB에 빠르게 접근하기 위해 Process Table 을 사용하며, PID를 통해 원하는 PCB 위치에 쉽게 접근할 수 있다.

구성 요소

(1) OS가 관리상 사용하는 정보
- Pointer (프로세스의 현재 위치)
- Process State (생성, 준비, 실행, 대기, 종료의 프로세스의 상태)
- Process number (PID, 프로세스를 식별하기 위한 고유한 ID)
- Scheduling Information, priority
(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값
- Program counter (실행 될 다음 명령어의 주소)
- registers (CPU 레지스터 Infomation)
(3) 메모리 관련 (memory limits)
- Code, data, stack 등의 운영체제 메모리 관리 및 위치 정보를 포함하며, 페이지 및 세그먼트 테이블 등을 저장
(4) 파일 관련 (list of open files)
- Open file descriptors(프로세스 실행을 위해 열린 파일 목록)
- 그 외 리소스 관련 정보들

Context Switch (문맥교환) (p.127 참조)

CPU코어를 다른 프로세스로 교환하려면 이전의 프로세스의 상태를 보관하고 새로운 프로세스의 보관된 상태를 복구하는 작업이 필요하다.
CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
CPU가 다른 프로세스에서 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행
- CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
- CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어 Register에 적재함.
CPU를 비롯한 자원을 이미 프로세스가 사용중인 상태에서 다른 프로세스가 자원을 사용해야 할 경우에 프로세스의 상태(문맥 / Context)를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 것을 말함
System call이나 Interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님. (1) 사용자 프로세스 A(user mode) => interrupt or system call => ISR or system call 함수 (kernel mode) => 문맥교환 없이 user mode 복귀 => 샤용자 프로세스 A (user mode) (2) 사용자 프로세스 A(user mode) => timer interrupt or I/O 요청 system call => kernel mode => context switch 발생 => 사용자 프로세스 B (user mode) => (1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save 해야 하지만, 문맥교환을 해야하는 (2)의 경우 훨씬 그 부담이 큼. (ex) cache memory flush)

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐 (p.123 참조)

Job Queue
- 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
- Ready Queue, Device Queue가 모두 Job Queue 내에 포함되어 있음.
Ready Queue
- 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
Device Queue
- I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

Scheduler(스케쥴러) (p.123 참조)

Long-term scheduler (Job scheduler or 장기 스케쥴러)
- 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼 지 결정
- 프로세스에 memory 및 각종 자원을 주는 문제를 다루는 스케쥴러
- degree of Multiprogramming(메모리에 프로그램이 몇 개 올라가 있는가?) 을 제어
- time sharing system에는 보통 장기 스케쥴러가 존재하지 않음. (무조건 ready 상태)
Short-term scheduler (CPU scheduler or 단기 스케쥴러)
- 어떤 프로세스를 다음 번에 running 시킬지 결정
- 프로세스에 CPU를 주는 문제
- 짧은 시간 단위로 스케쥴러가 이루어짐. 그러므로 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
Medium-term scheduler (Swapper or 중기 스케쥴러)
- 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫒아냄
- 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
- 중기 스케쥴러가 CPU 사용에서는 효율적 역할을 수행함.
- degree of Multiprogramming(메모리에 프로그램이 몇 개 올라가 있는가?) 을 제어

상세 프로세스 상태도 ( With active and inactive && User mode Running vs monitor mode Running)

Thread

CPU 수행단위
“A thread(or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization”
Thread의 구성
- program counter
- register set
- stack space
Thread가 동료 thread와 공유하는 부분(=task)
- code section
- data section
- OS resources
전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.
장점
- 다중 스레드로 구성된 task 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked(waiting) 상태인 동안에도 동일한 테스크 내의 다른 스레드가 실행(Running)되어 빠른 처리를 할 수 있다.
- 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
- 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다. 각 thread들이 여러 개의 CPU에서 동시 실행되게 되면 빠르게 작업을 수행할 수 있음 .
Responsiveness (응답성)
- 여러개의 쓰레드를 사용하게 되면, 여러 프로세스의 작업을 동시에 수행할 수 있기 때문에 응답이 빨라진다.
- ex) multi-threaded Web -> if one thread is blocked(ex. network) another thread continues(ex. display)
Resource Sharing (자원 공유)
- 쓰레드는 하나의 프로세스로 그 안의 CPU의 수행 단위만을 여러개 두는 차원이므로 자원을 공유하면서 더 많은 작업을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
- n threads can share binary code, data, resource of the process
Economy
- 쓰레드간의 switching은 오버헤드 없이 빠르게 동작이 가능하기 때문에 훨씬 경제적이다.
- 프로세스를 creating or switching 하는 것보다 훨씬 오버헤드가 적음 (Solaris의 경우 각각 30배, 5배의 오버헤드 차이가 발생함)
- creating & CPU switching thread (rather than a process)
- Solaris의 경우 위 2가지 overhead가 각각 30배, 5배 빠름
Utilization of Multi Process Architectures
- 멀티 프로세서 환경에서 여러개의 쓰레드를 병렬적으로 수행할 수 있으므로 훨씬 효율적임.
- each thread may be running in parallel on a different processor 작성할 목록

Implementation of Threads

Kernel Threads
- 커널이 Thread를 관리. 시스템 스케쥴러가 커널 스레드를 관리한다.
- Windows
- Solaris
- Digital UNIX, Mach
Library 지원 (User Threads)
- OS는 Thread에 대해 모르고, Libary(사용자) 차원에서 thread 관리하는 방식이므로 구현에 제약이 있음.
- POSIX Pthreads
- Mach C-Threads
- Solaris Threads
- Real-time Threads

추가 학습

Mode bit 저장위치

출처(참고문헌)

Where is the mode bit?

운영체제

공룡책 운영체제

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