컴퓨터 시스템의 구조

★ 컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 (CPU + Memory) + IO device(disk, 모니터, 키보드 …)

CPU : 클럭마다 memory의 인스트럭션을 읽어와서 실행

Mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지, 사용자 프로그램인지 구분해줌

Memory : CPU의 작업공간

IO device : 각각의 device controller를 가지고 있음

device controller : 각각의 device들을 전담하는 CPU 역할(cpu에 전달할 내용이 있을 때 interrupt line을 이용해 전달)

Local buffer : IO device들의 작업 공간

 

★ Mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지, 사용자 프로그램인지 구분해줌

- 사용자가 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요

- Mode bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

-> 1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행

-> 0 모니터 모드(= 커널 모드, 시스템 모드) : OS 코드 수행

✔️사용자 모드일 때는 한정된 인스트럭션만 실행할 수 있음

✔️모니터 모드일 때는 운영체제가 CPU를 가지며 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드일 때만 수행 가능한 '특권명령'으로 규정

✔️Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈

✔️사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

 

★ Timer

• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트 발생
• 매 클럭 틱 때마다 1씩 감소
• 타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생

★ Device Controller : 각각의 device들을 전담하는 CPU 역할

✔️해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU

✔️제어 정보를 위해 control register, status register를 가짐

✔️local buffer를 가짐(일종의 data register, IO device들의 작업 공간)

- I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남

- Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

 

• device driver(장치구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 -> software
• device controller(장치제어기) : 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU -> hardware

★ 인터럽트(Interrupt) : 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김

✔️Interrupt (하드웨어 인터럽트) : 하드웨어가 발생시킨 인터럽트

✔️Trap (소프트웨어 인터럽트)

• Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우 자동적으로 interrupt line 생성
• System call : 사용자 프로그램이 필요에 의해 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

★ DMA Controller  : CPU가 너무 과도하게 인터럽트 당하는 것을 방지하기 위한 장치

- IO device의 인터럽트가 들어올 때 DMA controller가 직접 local buffer에 들어있는 데이터를 Memory에 복제하고 CPU에게 알림

- 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용

- 바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시킴

 

★ 입출력(IO)의 수행

- 모든 입출력 명령은 특권 명령

- 사용자 프로그램이 I/O를 실행하는 방법

• 시스템콜 : 사용자 프로그램은 운영체제에게 I/O 요청
• trap을 사용하여 인터럽트 벡터의 특정 위치로 이동
• 제어권이 인터럽트 벡트거 가리키는 인터럽트 서비스 루틴으로 이동
• 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 수행
• I/O 완료 시 제어권을 시스템콜 다음 명령으로 옮김

 

★ 동기식 입출력과 비동기식 입출력

✔️동기식 입출력 (Synchronous I/O)

- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감

- I/O 작업이 끝날 때까지 아무것도 하지 않고 기다리다가 정상 수행 신호를 받으면 다른 작업 수행

-> CPU도 낭비가 되고, I/O도 하나의 작업만 할 수 있음

- I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗아 다른 프로세스에게 CPU를 넘겨줌. 만약 그 프로세스도 I/O 요청을 한다면 또다른 프로세스에게 CPU를 넘겨줌

-> CPU도 놀지 않고 I/O 작업도 여러 개 할 수 있음

✔️비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)

- I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

 

* 두 경우 모드 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌