3 장 컴퓨터 시스템의 동작 원리

2. 컴퓨터 시스템의 구조

운영체제에서 프로그램이 수행되려면 그 프로그램이 메모리에 올라가 있어야 한다.

• 프로그램은 실행될 때 특정 작업을 수행하는 명령어들의 모음
• 프로세스 : 메모리에 올라가있는 프로그램, 실행 중인 프로그램

3. CPU 연산과 I/O 연산

• I / O = input / output
• 로컬 버퍼(local buffer) : 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리
• 인터럽트(interrupt) : 컨트롤러들(마우스, 키보드, 디스크 등)이 CPU의 서비스가 필요할 때 이를 통보하는 방법
  • 하드웨어 인터럽트 : 컨트롤러가 인터럽트 라인 세틍
  • 소프트웨어 인터럽트 (트랩:trap) : 소프트웨어가 그 일을 수행
    • 예) 예외상황(exception)과 시스템 콜(system call)

4. 인터럽트 핸들링

인터럽트 핸들링 : 인터럽트가 발생한 경우에 처리해야 할 일의 절차를 의미

절차 예시

 (1) 한 프로그램이 실행되던 중 인터럽트 발생

 (2) 현재 실행상태(메모리 주소, 레지스터값, 하드웨어 상태 등)를 프로세스 제어블록(process control block, PCB)에 저장

 (3) CPU의 제어권이 인터럽트 처리 루틴으로 이동

 (4) 인터럽트 처리 완료

 (5) PCB에 저장된 실행상태를 CPU상에 복원

 (6) 인터럽트 발생직전 부터 프로그램 실행

 

5. 입출력 구조

큐(queue) : 입출력 요청의 동기화를 위해 장치 별로 두어 요청한 수서대로 처리 할 수 있도록 하는 것

- 다수의 프로그램이 동시에 입출력 연산을 요청 -> 동기성(synchronization)을 보장하기 위해 사용

 

6.DMA ( Direct Memory Access)

메모리 접근 연산이 CPU에 의해서만 이루어질 경우 입출력 장치가 메모리 접근을 원할 때  마다 인터럽트에 의해 CPU 업무가 방해를 받게 되어 CPU 사용의 효율성이 떨어지는 문제점 발생 

이를 해결하기 위해 메모리 접근이 가능한 장치 DMA 를 두어서 CPU에 발생하는 인터럽트 빈도를 줄여 CPU를 좀 더 효율적으로 관리

( 정리 필요)

 

7. 저장장치의 구조

주기억장치	보조기억장치
휘발성(volatile, 전원이 꺼지면 사라진다.)	비휘발성(nonvolatile, 전원이 꺼져도 보존된다.)
RAM	마그네틱 디스크(CD, 플래시 메모리 등)

 

보조기억장치 용도

(1) 파일 시스템 : 전원이 나가도 저장해야할 정보를 저장

(2) 스왑 영역(swap area) : 메모리의 연장 공간, 하드디스크가 

• 하드디스크가 가장 널리 사용
• 프로그램 수행에 당장 필요한 부분만 메모리에 오려두고 나머지 부분은 디스크의 스왑영역에 내려놓는다.
• 프로그램이 실행될 때 내용을 저장했다가 프로그램이 종료될 때 저장된 내용을 삭제

8. 저장장치의 계층 구조

 

휘발성	최상위	레지스터
		캐시 메모리
		메인 메모리
비휘발성		마그네틱 디스크
		광디스크
	최하위	마그네틱 테이프

 

상위 계층 일수록 접근 속도가 빠르지만 용량은 적다.

• 캐싱 기법
  • 상대적으로 느린 저장 장치에 있는 내용중 당장 사용되거나 빈번히 사용될 정보를 빠른 저장장치에 선별적으로 저장하여 두 장치 상이의 속도를 완충
    • 캐시 메모리를 메인메모리와 같이 큰 용량을 가진것 처럼 효율적으로 이용 가능

9. 하드웨어의 보안

운영체계는 여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있는 다중 프로그래밍 환경에서 동작 -> 충돌을 막기위해 보안 기법 필요

 

사용자모드(user mode)

- 일반적인 연산만 수행하는 모드

- 일반 사용자 프로그램 실행

 

커널모드(kernel mode, system mode) 

- 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 운영체제 코드를 실행하는 모드 

- 중요한 정보에 접근해 위험한 상황을 초래할 수 있는 연산을 실행하는 모드

- 모드 종류의 명령을 다 실행 가능

 

모드비트(mode bit)

  하지만..사용자 프로그램이 시스템에 중요한 영향을 미치는 연산을 하게 될 수도 있다.

그래서 컴퓨터 시스템은 CPU 내부에 모드비트 (mode bit)를 두어 사용자 프로그램을 감시

- 사용자 프로그램이 수행중 하드웨어 접근등의 보안이 필요할때 는 운영체제가 대신 해줄 것을 요청

 

하드웨어 장치에서 보안이 유지되는 방식

- 모든 입출력 명령은 특권명령(커널모드에서 운영체제에 의해서만 수행할 수 있는것)으로 규정해서 사용자 프로그램의 접근을 막는다.

 

10. 메모리 보안

필요성

여러 프로그램이 메모리에 동시에 올라가서 실행 -> 하나의 사용자 프로그램이 다른 사용자 프로그램이나 운영체제가 위치한 메모리 영역을 침범할 수 있기 때문에 필요

 

2개의 레지스터를 이용하여 프로그램이 접근하려는 메모리부분이 합법적인지 확인

- 기준 레지스터 : 합법적으로 접근할 수 있는 메모리강의 가장 작은 주소를 보관

- 한계 레지스터 : 기준 레지스터값부터 접근할 수 있는 메모리의 범위 보관

 

11. CPU 보호

하나의 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막는 것

운영체제는 타이머라는 하드웨어를 이용 -> 일정시간이 지나면 운영체제가 CPU 제어권을 획득

 

12. 시스템 콜을 이용한 입출력 수행

사용자 프로그램이 입출력 을 직접 수행이 불가 -> 운영체제에게 시스템 콜이라는 서비스 대항 요청을 하는 것