과제 및 학습 내용

• 커맨드라인에서 프로그램명 + 인자들을 받았을 때 이를 커널에서 어떻게 처리하고 어디에 전달할지를 학습하며 전체 흐름을 학습했다.
• 파일을 open, close하고 프로세스마다 연 파일들을 어떻게 관리하는지(파일 디스크립터 테이블을 통해, 상호 간에 수정하지 못하도록 lock을 걸면서) 학습할 수 있었다.
• 시스템콜을 처리하는 코드를 작성하면서 각 시스템콜들이 하는 일에 대해 학습할 수 있었다.
• 이에 대한 이해하기 위해 페이징 기법, 파일 관리, 가상 주소 공간 등을 학습했다.

코드에서 커널모드와 유저 모드

• 코드를 구현하면서 커널모드와 유저모드로의 전환과 그 사이에서의 데이터 이동에 대해서 이해할 수 있었다

• pintOS에서는 저장할 스레드의 정보를 인터럽트 프레임이라는 구조체에 전달하고 여기에 전달해서 커널에서 유저프로그램으로 정보를 전달한다.

• iret이라는 명령어가 중요했는데 과연 커널에서 유저 모드로 어떻게 갈까가 궁금했다. 답은 점프를 통해서이다.

  • 주의해야 한다. 처음에 커널 쓰레드 따로 유저 쓰레드 따로 있는 것으로 이해하고 컨텍스트 스위치가 이루어지는 것으로 이해했는데 아무리 코드를 봐도 이에 대한 코드가 없어서 찾아보니
  • 동일 쓰레드 내에서 가리키는 포인터가 바뀌면서 유저모드와 커널모드로 변환되는 것이다. (코드내에서는 rsp 포인터가 이동)

• 커맨드라인에 프로그램명과 인자들을 받았을 때 인터럽트 프레임(데이터 전달 매개체)에 이렇게 쌓았다. (사진 출처, 카이스트 핀토스 자료)

  • 인터럽트 프레임에 이미 쌓을 때 rsp가 UserProgram을 가리키고 있기 때문에 사실에 유저 프로그램에 해당 인자들을 쌓는 방식으로 진행된다.
  • 처음에는 이 rsp가 상수 값으로 지정되어 있어, 유저마다 다른 주소를 가질 텐데 어떻게 이 상수로 고정이 되지? 했는데 커널에서도 virtual address를 쓰기 때문에 이를 상수 값으로 쓴다해도 각 유저 프로세스의 주소에 입력될 수 있다.
    • 이를 실지 물리 주소로 변환해주는 것으 하드웨어가 해준다(MMU)

• 그리고 do_iret 코드를 보면 이렇게 rsp 기준으로 쌓은 값을 레지스터로 올린다. 그러면 이제 iret을 해서 유저 모드로 가게 되면 레지스터에도, 유저 스택에도 사용할 정보들이 쌓인 상태가 된다고 이해했다.

시스템콜

• 시스템 콜이 일어나면 어떻게 데이터가 교환되고 어떻게 시스템 콜 관련 함수가 처리되는지, 이를 처리한 커널 모드에서 어떻게 유저 모드로 전환되는지를 학습할 수 있었다.

예외 처리

• (출처: 반효경 교수님 강의) CPU는 한 줄의 인스트럭션을 실행 한후 Interrupt Line(인터럽트가 들어왔는지)체크한다. interrupt line 들어왔으면 하던 일을 멈추고 cpu의 제어권이 os한테 간다.
• • (권영진 교수님 수업 정리-비공개 여기서 유저모드에서 커널 모드로 바꿔주는 것은 하드웨어. 포인터가 이동한다.
• 인터럽트 마다 왜 인터럽트가 걸렸는지 처리해야 할 일들이 운영체제 안에 커널 함수로 정의되어 있다. (pintOS에서 구현한 부분)
  )
• 어떤 커널 함수로 가야하는지에 대해선 예외 테이블을 참고한다. 시스템 부팅시에 운영체제는 예외 테이블을 할당하고 각 테이블에는 각 예외 사항에 대한 핸들러 코드의 주소가 있다.
• 주의. 이 점프해서 커널 모드로 갔기 때문에 계속 아까 그 유저모드에서 사용된 쓰레드가 계속 동작하는 것이다.
• 핸들링이 끝나면 '하드웨어'가 인터럽트에 의해 중단된 프로세스로 돌아가는 경우가 있는데(아닌 경우도 있다) 어쨌든 이 경우에는 원래 프로세스 제어 상태와 데이터 레지스터 상태를 스택으로부터 팝해서 돌려준다. (우리가 인터럽트 프레임에 쌓아놓고 POP 하면서 돌려준 부분)

lock, Condition Variables Semaphore

• https://velog.io/@bongf/Pintos-lock-Condition-Variables-Semaphore
• OS 책: “Operating Systems: Three Easy Pieces” 과 권영진 교수님의 강의로 이론 학습 및, 코드를 작성하면서 이들이 어떻게 다르고 어떻게 사용할 수 있는지 학습했다.
• 특히, 위 링크에 작성하며 학습한 부분이 재밌었다. 쎄마포어 초기값에 따라서 lock으로도 동작할 수 있고 시그널을 받는 순서를 정하는 용도로도 사용할 수 있다는 것을 학습했다.
• [비공개][Operating Systems: Three Easy Pieces/ Project1: Threads - Priority Scheduling 책 정리 - Semaphore](https://velog.io/@bongf/Pintos-Priority-Scheduling-%EC%B1%85-%EC%A0%95%EB%A6%AC-Semaphore)

fork

• 다른 자료들을 긁어모아 정리해서, 비공개 https://velog.io/@bongf/PintOS-Usrprogrm-syscall-fork
• fork 후에 자식과 부모가 다른 pid 값을 가져야 하는데 어떻게 처리해줄까에 대한 고민을 했다.
• 이에 대한 해결방법을 중심으로 학습했다.
  • 이를 인터럽트 프레임의 함수의 return값을 저장하는 rax 값에 해당 값을 넣어준다.

File Management

https://velog.io/@bongf/Pintos-File-Management

• 비공개
• 파일 디스크립터 테이블이 각 프로세스 마다 있고, 같은 파일이라해도 각 프로세스에 해당된 fd가 다르다.
• 단 이 fd에 의해 파일을 찾아올 때는 해당 파일 자체는 메모리에 동일공간에 올라가 있어서 (각 파일 디스크립터 테이블에 같은 주소가 써있다) 같은 파일이 여러 번 메모리에 올라가는 것을 막을 수 있다.

가상 메모리 주소 공간

https://velog.io/@bongf/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-Ch9.-%EA%B0%80%EC%83%81%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-92mc122c

• 다른 자료를 긁어 정리해 비공개
• virtual memeory를 사용하면서 왜 사용자마다 각기 주소공간을 가졌다고 착각할 수 있는지, 심지어 커널에서 쓰는 주소공간조차 가상 주소를 의미한다는 것을 코드를 작성하면서 알 수 있었다.
• 32비트 기준 4G의 주소공간을 가질 수 있는데 그래서 각 프로세스는 자신이 각각 4G의 주소공간을 가질 수 있다고 착각한다.
• Kernel Virtual Memory 부분은 항상 메모리에 상주해야 한다. 그리고 이부분에 대한 데이터는 모든 프로세스마다 동일할 것이다. 그렇기 때문에 실제로 이부분에 대한 메모리는 공유 되어야 하기 때문에 이 부분에 대해서는 RAM과 일대일 매핑된다. 출처 https://elinux.org/images/4/4c/Ott.pdf
• 그렇지만 각 프로세스는 각자 자신의 주소공간을 가진다고 착각
• RAM의 나머지 부분에 대해서는 모든 유저 프로세스 들의 공간에 대한 메모리가 다 올라간 것은 아니고 필요한 것이 메모리에 올라오고 내려오고 하면서 마치 각자가 저만큼의 주소공간을 갖도록 착각하게 하는 것이 Virtual Memory
• 이 주소변환을 해주는 것은 MMU라는 하드웨어! (빠르기 때문에 소프트웨어가 아닌 하드웨어 사용한다)
• 그렇다면 각 가상 주소공간이 같은 메모리를 참조할 때 이에 write를 하려고 하면 어떻게 될까? 이 때 쓰는 기법이 copy-on-write
  • 둘이 읽을 때까지는 같은 공간을 참조(동일 데이터를 메모리에 두 번 올리는 것을 지연)
  • 그러다가 write 요청이 오면 동일 데이터를 메모리에 복제해서 올림

세그먼트 페이징 기법

• 필요한 데이터만 메모리에 올리려면 필요한 기법이 페이징 기법과 세그먼트 기법

• 이에 대해 반효경 교수님 수업으로 정리 비공개

• 세그먼트 기법을 쓰면 권한 관리가 쉽다. 예를 들어 힙, 데이터, 코드 등으로 분할해서 올린다고 하면 해당 부분은 읽을 수 있다, 쓸 수 있다 이렇게 권한 확인이 용이하다.

• 그런데 세그먼트 기법을 쓰면 올리는 데이터의 단위가 달라지기 때문에 (힙, 데이터 각각의 크기가 다를 것) 메모리에 쭉 올리지 못하고 hole이 많이 발생하는 문제들이 생기게 된다.

• 페이징 기법으로 정량화된 페이지 단위로 올리면 이를 해결할 수 있지만 세그먼트 기법에서 활용할 수 있었던 의미별 권한 확인은 불가하다

  • 또한 페이징 기법은 페이지가 각 어디에 있느지를 저장하는 페이지 테이블이 공간을 많이 차지한다.

• 세그먼트 페이징 기법은 있는데 이는 권영진 교수님의 강의(비공개로 정리했다.

추가 궁금했던

• 왜 BSS영역은 따로 둘까?
  • 그냥 데이터 영역에 두면 될텐데 왜 따로 둘까 했는데 굳이 0이라는 값을 써줄 필요가 없다. BSS영역을 따로 두면 값이 없는 것이 보장 되므로. 그렇기 때문에 공간을 절약 할 수 있다. 또한, 날라가도 저장할 값이 없기 때문에 ROM에 있을 필요가 없어 이를 분리했다.
  • https://velog.io/@bongf/Pintos-BSS-%EC%98%81%EC%97%AD