[운영체제] 1장: Computer System Overview

CoCoral·2023년 9월 20일

OS 운영체제 컴퓨터공학

운영체제

목록 보기

1/11

컴퓨터 구성요소

Processor: 컴퓨터 동작 제어, 데이터 처리, 프로그램 실행
Main memory: Data와 Program을 저장한다.
- 휘발성이기 때문에 shutdown 되면 메모리가 삭제된다.
I/O module: 컴퓨터와 외부 환경 간의 데이터 이동을 담당한다.
- 종류: 키보드, 마우스, 모니터, 스피커 등
System bus: 프로세서, 메인 메모리, I/O 모듈 간의 통신을 제공한다.

* Program Counter: 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장한다.
* Instruction Register: 현재 처리 중인 명령을 저장한다. (주소 아님 주의)
* Memory Address Register: 메인 메모리에서 사용할 영역의 주소를 저장한다.
* Memory Buffer Register: 메모리와 교환할 데이터를 저장한다.
* I/O Address Register: I/O 모듈에서 사용할 영역의 주소를 저장한다.
* I/O Buffer Register: I/O 모듈과 교환할 데이터를 저장한다.

Instructions

Program: instruction과 data의 집합
종류
- 프로세서와 메모리 간의 데이터 전송
- 프로세서와 I/O 모듈 간의 데이터 전송
- 산술 및 논리 연산과 같은 데이터 처리
- 명령어 실행 순서 제어 (프로세서 내에서 처리 가능)
명령어 수행 과정
1. Fetch Stage: 프로세서가 메모리로부터 명령어를 읽어서 IR에 저장한다.
2. Execution Stage: 프로세서가 명령어를 수행한다.

Fetch Stage
1. MAR <- PC, PC++
2. MAR에 저장된 주소를 통해 메모리에서 명령어를 읽고 MBR에 저장한다.
3. IR <- MBR

Execution Stage (Read)
1. IR의 연산코드를 확인해 명령어 종류를 분석한다.
2. MAR <- IR의 주소 부분
3. MAR에 저장된 주소를 통해 메모리에서 데이터를 읽고 MBR에 저장한다.
4. AC(Accumulator) <- MBR

Execution Stage (AC 변경)
1. IR의 연산코드를 확인해 명령어 종류를 분석한다.
2. MAR <- IR의 주소 부분
3. MAR에 저장된 주소를 통해 메모리에서 데이터를 읽고 MBR에 저장한다.
4. AC <- AC + MBR

Execution Stage (Write)
1. IR의 연산코드를 확인해 명령어 종류를 분석한다.
2. MAR <- IR의 주소 부분, MBR <- AC
3. MAR에 저장된 메모리 주소에 MBR을 저장한다.

Program Status Word
- Condition Codes(Flags): 연산 결과를 저장한다.
  - 종류: Zero, Carry, Overflow, Sign
- Interrupt enable/disable: 인터럽트 허용/비허용 상태
  - enable: 프로세서가 외부 이벤트나 하드웨어 요청을 받아들여 실행 중이던 프로세스의 처리를 중단시킬 수 있다.
  - disable: 프로세서가 인터럽트를 무시하고 현재 실행 중인 작업을 계속한다.
- Supervisor/user mode: 프로세스가 실행 중인 모드
  - 모드에 따라서 수행 가능한 명령과 접근 가능한 시스템 자원이 달라진다.

Interrupt

프로세서의 효율 향상을 위해 제공된다.
종류
- Program: 프로그램을 실행하다가 오류나 예외 상황에 직면했을 때 발생한다.
  - 프로그램 자체의 문제가 아니다.
  - 예) 산술연산 오버플로우, 0으로 나누기, 잘못된 메모리 접근, 불법적 기계 명령어 수행 시도, 명령어의 명령코드 오류 등
- Timer: 프로세서 내의 타이머에 의해 발생한다.
- I/O: I/O Controller에 의해 발생한다.
- Hardware failure: 하드웨어 결함에 의해 발생한다.
I/O interrupt
- I/O 모듈은 프로세서보다 훨씬 느리다.
- 인터럽트 X: 프로세서는 입출력 작업이 끝날 때까지 동작을 멈춘다.
- 인터럽트 O & 짧은 입출력 대기: 입출력 작업이 처리되는 동안 프로세서는 다른 명령어를 수행하고, 입출력 명령이 끝나면 인터럽트가 발생하면서 OS가 입출력 연산을 마무리한다.
- 인터럽트 O & 긴 입출력 대기: 하나의 입출력 작업이 끝나기 전에 또 다른 입출력 명령을 만난다면 프로세서는 어쩔 수 없이 대기해야 한다.
- 인터럽트는 입출력 작업이 완료된 후 5번 명령어를 실행하기 전에 발생한다.
- 인터럽트가 입출력 작업의 종료를 알리는 것은 맞지만 현재 프로세스의 입출력 작업 종료는 아니다.
- 4, 5번 명령어는 OS 기능이다.
Interrupt Handler: OS 기능으로 인터럽트가 발생한 상황에 따라 적절한 처리를 한다.
Instruction Cycle
- 인터럽트가 발생하면 수행 중이던 명령어의 Execute Stage가 끝나고, Interrupt Stage에서 인터럽트가 발생했음을 검사하여 확인한 후에 비로소 인터럽트가 처리된다.
  * Fetch Stage에서 PC 값이 바뀌기 때문에 Execute Stage가 끝나기 전에 인터럽트 처리를 하면, 해당 명령어를 수행하지 못하는 상황이 발생한다.
  * 인터럽트 발생을 확인한 후에야 원래 처리하던 프로그램의 수행이 중단된다.
- PSW의 인터럽트 허용 상태에 따라 Interrupt Stage 실행 여부가 달라진다.
- Interrupt Stage가 끝나면 Interrupt Handler가 실행되거나 이전 Fetch Stage에서 PC에 저장된 명령어를 실행하는데 그 명령어는 원래 실행하던 프로그램의 명령어가 아닐 수 있다.
인터럽트 처리 과정
- 하드웨어
  1. 인터럽트를 발생시킨다.
  2. 프로세서가 현재 처리 중이던 명령어의 Execute Stage 를 완료한다.
  3. 프로세서가 인터럽트 확인 신호를 전송한다.
  4. 프로세서가 PSW와 PC를 메인 메모리 상의 컨트롤 스택에 저장한다.
  - 하드웨어 차원에서 PSW와 PC를 저장하는 이유: OS(소프트웨어)가 실행되면 PC에 다음에 실행할 OS의 명령어가 저장되므로 원래 수행하고 있던 프로세스의 상태를 복구할 수 없다.
  1. 프로세서가 Interrupt Handler의 주소 값을 PC에 저장한다.
- 소프트웨어
  1. 프로세스의 나머지 상태 정보를 컨트롤 스택에 저장한다.
  2. 인터럽트를 처리한다.
  3. PSW, PC를 제외한 프로세스의 상태 정보를 복구한다.
  4. PSW, PC를 복구한다.
  - PC, PSW를 미리 복구하면 직후에 PC에 저장된 명령어를 수행하므로 프로세스의 복구 작업이 마무리 될 수 없기에 마지막에 복구한다.

메모리 계층 구조

메모리 특성: 저장 용량, 접근 속도, 비용
- 용량이 클 수록, 비트 당 비용이 낮아진다.
- 용량이 클 수록, 접근 시간이 길어진다.
- 접근 속도가 빠를 수록, 비트 당 비용이 높아진다.
계층 구조
- Top: Inboard memory - Register > Cache > Main memory
- Mid: Outboard memory - Magnetic disk(Hard disk)
- Bottom: Off-line storage - Magnetic tape
- Bottom -> Top: 비트 당 비용 증가, 용량 감소, 접근 속도 증가, 프로세서의 메모리 접근 증가
- Top -> Bottom: 비트 당 비용 감소, 용량 증가, 접근 속도 감소, 프로세서의 메모리 접근 감소
- 접근 속도가 높은 메모리는 자주, 낮은 메모리는 덜 자주 접근하도록 구현된다.
- 필요한 데이터를 상위 계층의 메모리에 옮겨 놓고 사용하면서 낮은 계층의 메모리 접근을 줄인다.
- Locality of reference
  - 시간적: 최근에 접근한 데이터에 다시 접근할 가능성이 높다.
  - 공간적: 최근에 접근한 데이터의 주변에 위치한 데이터에 다시 접근할 가능성이 높다.

Cache memory

메인 메모리의 일부가 블록 단위로 캐시로 옮겨진다.
- Locality of reference 원칙을 구현한 것으로 효율적으로 사용할 수 있다.
프로세서는 필요한 데이터를 얻기 위해 캐시 > 메인 메모리> 하드 디스크 순으로 탐색한다.
캐시 메모리는 시간 효율성과 복잡성 때문에 OS가 아닌 하드웨어에 의해 관리된다.
메인 메모리의 낮은 접근 속도를 해결하기 위해 사용한다.
캐시 속도, 메인 메모리 접근 횟수, locality of reference는 시스템 효율성과 관련이 있다.

I/O Techniques

Programmed I/O -> Interrupt-Driven I/O -> Direct Memory Access 순으로 발전했다.
Direct Memory Access: 프로세서를 거치지 않고 메모리에 접근하는 방식으로 가장 효율적이다.
- 파일 입출력 같은 대용량 데이터를 처리할 때 사용한다.
- 프로세서는 데이터 이동의 시작과 끝에만 관여하고 그 사이에는 다른 작업을 수행한다.
- I/O 모듈과 메인 메모리 사이에서 데이터가 시스템 버스를 통해 이동하는데, 프로세서가 다른 프로그램을 실행할 때 메인 메모리에서 데이터를 읽어야하는 경우가 있다. 시스템 버스는 단 하나만 존재하기에 이런 경우에는 프로세서의 속도가 느려질 수 있다.
- DMA 모듈은 I/O 모듈의 일부이다.
- I/O 작업 종료를 알리기 위해 인터럽트가 사용된다.

Symmetric Multiprocessors

여러 개의 프로세서가 있으면 여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있어서 실행 속도가 증가한다.
실행 속도는 OS의 영향을 많이 받기 때문에 프로세서 개수에 비례하여 실행 속도가 증가하지는 않는다.
하나의 I/O 모듈과 메인 메모리를 여러 프로세서가 공유한다.
여러 프로세서가 동시에 동작하는 과정에서 데이터 일관성이 깨지는 문제가 발생할 수 있기 때문에 각 프로세서는 다른 프로세서의 작업이 끝나기를 기다려야 한다.