시스템 구조 및 프로그램 실행2

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이화여대 ‘반효경’교수님의 Operating Systems강의 중, ‘System Structure & Program Execution 2’강의를 수강하고 학습합니다.

하드웨어 분류

하드웨어 분류

하드웨어를 조작하는 소프트웨어

하드웨어를 조작하는 소프트웨어

동기식 입출력과 비동기식 입출력

동기식 & 비동기식 입출력 비교

동기식 입출력 (Synchronous I/O)

I/O 요청 후, 작업이 모두 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어갑니다.

  • 구현 방법 첫번째
    • I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킨다
    • 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있다
  • 구현 방법 두번째
    • I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗는다
    • I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄세운다
    • 다른 프로그램에게 CPU를 준다

비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)

I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고, 제어가 사용자 프로그램에게 즉시 넘어갑니다.

DMA Controller

DMA Controller

  • 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용합니다.
  • CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block단위로 직접 전송합니다.
  • 바이트 단위가 아니라 block단위로 인터럽트를 발생시킵니다.

서로 다른 입출력 명령어

서로 다른 입출력 명령어

좌측: Special Instruction I/O (일반적인 방식) / 우측: Memory Mapped I/O

Special Instruction I/O

특징: 이 방식에서는 CPU가 특정 명령어(Special Instruction)를 통해 I/O 작업을 수행합니다. 이 명령어는 I/O 포트에 직접 접근해서 데이터를 읽거나 쓸 수 있게 합니다.

작동 방식: CPU는 I/O 장치와 통신할 때, 특별히 지정된 명령어(예: IN, OUT)를 사용하여 I/O 포트와 데이터를 주고받습니다. I/O 포트는 메모리 주소와는 별도로 관리됩니다.

  • 장점: CPU와 I/O 장치 간의 데이터 전송을 분리된 명령어로 수행하여, 시스템이 더 효율적으로 작동할 수 있습니다.
  • 단점: I/O 명령어가 별도로 존재하기 때문에, CPU의 명령어 집합에 해당 명령어를 추가해야 하고, 코드가 복잡해질 수 있습니다.

Memory-Mapped I/O

특징: 이 방식에서는 I/O 장치를 메모리의 일부처럼 취급합니다. 즉, I/O 장치의 레지스터가 메모리 주소 공간에 포함됩니다.

작동 방식: CPU는 I/O 장치를 메모리의 특정 위치로 간주하고, 메모리 접근 명령어(예: LOAD, STORE)를 사용하여 I/O 장치와 통신합니다. I/O 장치의 레지스터가 메모리 주소 공간 내의 특정 주소에 매핑되어 있어, 이 주소에 데이터를 읽거나 쓰는 것으로 I/O 작업이 이루어집니다.

  • 장점: I/O 작업을 일반적인 메모리 접근과 동일한 방식으로 수행할 수 있어, 코드가 단순해지고, 별도의 I/O 명령어가 필요하지 않습니다.
  • 단점: 메모리 주소 공간을 I/O 장치와 공유하기 때문에, 사용할 수 있는 메모리 주소 공간이 줄어들 수 있습니다.

저장장치 계층구조

저장장치 계층구조

저장장치 게층구조에 대한 이미지 설명

위로 갈수록 속도가 빠른 매체를 사용한다.

연두색: 휘발성 매체 / 빨강색: 비휘발성 매체

  • CPU에서 직접 접근할 수 있는 매체를 Primary라고 부릅니다.
  • CPU가 직접 접근해서 처리 못하는 매체는 Secondary라고 부릅니다.

Register와 Main Memory가 속도가 차이가 많이나서 cache Memory가 존재합니다. 다만, 용량이 적기때문에 모든걸 저장하진 못하고 중요내용만 저장합니다.

프로그램의 실행 (메모리 load)

개요

File System(하드디스크)에 파일형태로 저장이 되어있다. 이 파일을 실행시키면 메모리에 올라가서 프로세스가 된다. 근데 바로 올라가는게 아니라 한단계를 더 거치는데, virtual Memory를 거쳐 올라간다.

virtual Memory

각 프로그램마다 독자적으로 가지는 공간을 말한다.

virtual Memory

프로그램을 실행시키면 Adress space공간이 생기게 되고, code, stack, data등을 따로 담게된다.

메모리에 Physical Memory에 전부 올리는게 아니라, 사용이 되는 것들만 이동된다. 그리고 사용을 안한다고 판단되면 방출된다.

커널 주소 공간의 내용

커널 주소 공간의 내용

운영체제 커널에는 무슨 내용이 있을까요?

Code

운영체제는 자원을 효율적으로 관리한다. 사용자에게 편리한 서비스를 제공한다. 이와같은 코드들이 커널에 저장되어있다.

  • 시스템콜, 인터럽트 처리 코드
  • 자원 관리를 위한 코드
  • 편리한 서비스 제공을 위한 코드

Data

운영체제는 CPU나 하드웨어를 직접 관리하고 통제한다. 각 하드웨어마다 자료구조를 하나씩 만들어 관리한다.

Stack

사용자가 실행시킨 프로그램(Process)들의 커널 스택을 별도로 관리합니다.

사용자 프로그램이 사용하는 함수

함수의 종류는 3개로 나눌수 있습니다.

  • 사용자 정의 함수 (process function)
    • 자신의 프로그램에서 정의한 함수
  • 라이브러리 함수 (process function)
    • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 가져다 쓴 함수
    • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있습니다.
  • 커널 함수 (kernel function)
    • 운영체제 프로그램의 함수
    • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜