[운영체제] Ch1. Introduction

What does an operating system do?

• 하드웨어의 추상화된 레이어를 제공.
  • 쌩 H/W를 신경쓰지 않고 프로그래밍할 수 있음
• 소프트웨어적인 리소스를 관리해줌.
  • 여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록
    ( = CPU, 메모리를 나누어 쓸수 있도록 OS에서 관리해준다)

 

CPU PipeLining

• A susperscalar CPU : 동시에 여러 instruction을 수행할 수 있는 구조
• Kernel mode : CPU에서 제공하는 모든 instruction 수행 가능. 모든 H/W feature (Device)에 access 가능.
• User mode : 모든 instruction이 아닌 제한된 명령어만 사용 가능. Device access에도 제한.

 

I/O Devices

I/O Access 방식에는 busy waiting, interrupt, DMA 등이 있다.

그 중에서 interrupt 방식에 대해서.

 

 

외부에서 신호가 CPU로 들어오면 (..중략) 수행하던 명령어를 중단하고 Kernal mode로 전환한다. 특정 주소지로 뛰어서 inst 실행.

1. OS에서 Device controller로 명령.
2. Device가 작업을 완료하면, Interrupt controller(IC)에게 종료 시그널을 전송 (interrupt 시켜주세용).
3. IC에서 CPU에게 Device가 작업 완료했음을 알림 (물리적 신호)
4. IC를 통해서 여러개의 Disk controller가 연결되어 있을 수 있다. 이땐 우선순위에 의해서 처리됨.
5. step3에서 interrupt signal을 전송함과 동시에, interrupt를 발생시킨 device의 번호를 같이 보냄.

 

• 실행중인 명령어들이 쌓여있는 메모리의 모습

1. 명령어 실행 중에 interrupt가 발생되면 Kernel 모드로 전환된다. Interrupt vector를 통해서 Dispatch Handler가 있는 주소지로 점프.
2. User 모드에서는 수행 불가능한 명령어가 있기 때문에 OS는 Kernel 모드에서만 수행된다.
3. memory에서 interrupt를 수행하는 코드 (interrupt handler Routine)을 패칭해서 수행한다.
4. 이때 아까 4번 시그널로 넘겨줬던 번호를 가지고 특정 주소지를 찾아 불러온다 ( = interrupt vector)
5. 그 때, 기존에 사용되던 PC와 PSW? 레지스터 정보들을 따로 저장함. Handler의 작업이 완료되면 다시 돌아가서 재개할 수 있도록.
6. return해서 next instruction이 진행된다.

• Fault : 0으로 나누기 등, instruction이 수행 불가능한 경우일때 - 수행하던 명령어를 중단하고, Kernel 모드로 전환한다. 특정 주소지 (PC에 있는 값)으로 뛰어서 inst 수행

 

Protection

Protected Instructions : 커널 모드에서만 사용 가능한 Instruction

• I/O Device에 직접적으로 접근하는 명령어
• 메모리 관리 명령어
• Protected Processor Register(ex.PSW)에 설정되는 Mode Bit을 설정하는 명령어
• halt 명령어 (CPU를 멈추게 하는 것 : 이런걸 유저모드에서 쓸 수 있으면 위험)

 

Crossing Protection Boundaries

유저모드에서 커널모드로 전환하는 과정(?)

 

Interrupt (H/W Interruption)

• Device Controller가 Interrupt Signal을 발생시키면 OS가 커널모드로 전환 (하드웨어에서 넘어오는거)

Trap (S/W Interruption)

• 유저 프로그램이 Protected Instruction을 실행시키기 위해 System Call을 이용한다.
• Kernel Handler ventor에 저장된 주소로 이동시킴 (커널모드로 전환)
• System Call이 실행되는 순간, caller의 상태 (레지스터, mode bit 등)은 백업됨 (fault나 interrupt 수행되는것과 비슷)
• 시스템 콜 함수의 파라미터로 값들을 넘길 수 있음. OS는 그런 값들을 체크
• 작업이 끝나면 다시 user mode로 넘긴다. (iret과 같은 명령어를 통해)

 

System Calls

OS의 기능을 불러내는 인터페이스이다. 함수처럼 사용.

• PSW (Program State Word) : 이 비트가 몇이면 커널모드, 몇이면 유저모드..

 

A Kernel Crossing Illustrated

 

ex

int read(int fd, char *buf, int size) {
  // fd : File Descriptor (포인터 같은거임)
  // buf : 주솟값
  // size : read할 데이터의 크기

    move fd, buf, size to R₁, R₂, R₃
      // 인자로 받은걸 레지스터에 저장해둔다

    move READ to R₀
      // (#define READ 3 같은거임) 특정 상수값을 저장

    int $0x80
      // Trap 명령어를 수행

    move result to R_result
      // 커널모드에서 작업 결과(result)를 레지스터에 저장한 후, read() 종료
      // result : 읽어들인 데이터의 Byte 수
}

 

OS Structure

os를 어떻게 구성하는게 좋은가..

 

Monolithic Kernel

• OS가 한 덩어리인것
• 모든게 다 커널모드
• 최상위에서 특정 System Call을 호출하면, 해당 System은 필요한 다른 Function을 호출해 나간다/
• 모듈간 Call 하는 시간이 짧아, 성능이 좋음
• 대신 프로그램의 크기가 큰 만큼, 유지보수가 안좋다
• 일부에 문제가 생기면 전체가 셧다운 되는 가능성

 

MicroKernel

• 마이크로한 애들만 커널에서 돌리자 : 커널모드용 기능을 최소화한다. 나머지는 user-level process
• 시스템 모듈이 서로 독립되어 있어서 신뢰성이 있음(?)
• 문제가 생기면 거기만 고치고 어쩌고 할수 있음. 유지보수성이 높아진다
• 하지만 user-kernel crossing을 해야해서 성능은 비교적 안좋음.