CPU는 메모리와 다르게 영역을 작은 piece들로 쪼갤 수 없다. 따라서 많은 프로그램들이 CPU의 전체 영역을 공유하게 된다. 하지만 각 시점에 하나의 프로그램만 CPU를 이용할 수 있다.

CPU Virtualization

한 프로그램만 CPU를 사용할 수 있기 때문에 OS는 많은 CPU가 존재하는 것 같은 illusion을 주어야 한다.
즉 여러 프로그램이 각각 자신의 CPU를 갖고 있는 것 같은 착각을 갖도록 한다.

여기에 필요한 것이 Time sharing이다.
time sharing은 CPU Virtualization의 key technique이다. 우리는 CPU의 physical area를 sharing할 수는 없지만 time을 sharing할 수는 있다.
긴 시간을 작은 조각으로 쪼개서 각 조각을 하나의 프로그램에게 준다. 그 시간의 조각 동안 한 프로그램을 실행시키고 그 시간이 끝나면 프로그램의 실행을 멈추고 다른 프로그램으로 switch한다. 그리고 그 프로그램의 시간을 다 소모하면 다음 프로그램으로 switch한다. 이를 반복하면 많은 프로그램들이 자신만의 CPU를 소유하고 있다고 생각하도록 만들 수 있다.

time sharing에 드는 potential cost는 performance이다. performance는 switch를 할 때에 드는 overhead의 영향을 받는다.

time sharing을 하기 위해서는 OS가 언제든 running program의 상태를 저장(혹은 캡쳐, resume)할 수 있어야 한다. 프로그램을 실행하고 멈추고를 자유자재로 할 수 있어야 하기 때문...
즉, 이는 OS가 프로그램의 execution을 통제할 수 있어야 함을 의미한다.
프로그램을 멈춰야 한다면 프로그램을 멈춰서 어딘가에(메모리) 저장하고 대기하고 있던 다른 프로그램을 실행시켜야 한다. 따라서 OS는 running program의 상태를 capture 할 수 있어야 한다.

Process

A process is a running program

프로그램이 실행되면 CPU나 메모리의 상태를 바꾸고 때로는 storage(ex. disk)를 바꾸기도 한다.
이 scope를 CPU와 메모리에 한정시키면 프로세스의 상태는 CPU상태와 메모리로 이루어져 있다.

• A process consists of:
  • CPU state (registers) : 실질적으로 register들이 CPU의 상태를 hold하고 있다. program counter, stack pointer, general register들이 여기에 해당한다.
  • Memory (address space) : 프로그램이 차지하고 있는 공간에 대한 것이다. instruction과 data section이 이에 해당된다.

CPU state와 memory를 capture할 수 있다면 running program을 표현할 수 있다.

c = a + b;와 같이 high-level programming에서는 한 줄로 보이는 코드여도 내부적으로는 load, store등의 여러 instruction이 실행된다. 한 instruction을 실행하면 CPU의 state가 바뀌고(CPU state라는 것은 결국 multiple register이므로 register가 바뀌는 것이다) CPU에서 메모리로 어떤 value를 저장하면 메모리도 바뀐다.
따라서 OS가 CPU와 메모리를 capture할 수 있다면 프로세스를 표현할 수 있게 된다.

CPU가 single instruction을 실행한 직후에는 아무것도 바뀌지 않으므로 그 때 CPU의 state를 저장하면 프로세스를 capture할 수 있다. 나중에 suspend되었던 프로그램을 다시 실행하고 싶으면 메모리에 저장해둔 값을 restore해서 resume하면 된다.

Process API

• Create
• Destroy
• Wait
• Miscellaneous Control
• Status

Process Creation

1. executable code를 memory에 load해서 initialize한다. process의 address space와 같은 것들을 initialize하는 것이다.
2. OS의 run-time stack이 allocation된다. 그리고 memory system이 setup된다.
   local variable, global variable, function parameter, return address, input parameter등이 initialize된다.
3. heap이 allocation된다. 프로그램 내부에서 memory를 allocation하거나 사용을 마친 memory를 return하고 싶을 수 있기 때문이다.
4. I/O를 initialize한다.
5. 위의 과정을 끝내면 프로그램의 initial position을 줌으로써 프로그램을 start할 수 있다. first instruction address를 CPU의 eip에게 주면 CPU가 그 instruction을 fetch하고 프로그램을 running한다.

Process State

• Running : CPU에서 현재 실행되고 있는 프로세스
• Ready : suspend되었거나 이제 막 user에 의해 create돼서 initialize되고 running되기를 기다리는 상태. 실행시킬 수 있지만 OS가 그 시점에 실행하기로 선택하지 않은 프로세스를 의미함. ready queue나 list를 사용함.
• Block : I/O를 원하면 memory와 disk의 속도 gap으로 인한 시간이 필요한데 그 때 spinning하면서 CPU cycle을 소모하는 것은 비효율적이기 때문에 프로세스를 block함. request를 fully satisfy하기 전까지 block state로 만듦. I/O나 peripheral들로 인해 발생함.

PCB(Process Control Block)

OS는 multiple program이 single CPU에서 동작할 수 있도록 해줌. 각 프로그램이 자신의 own CPU에서 동작하고 있는 듯한 illusion을 주어야 함.

OS는 프로세스를 manage하기 위해서 key data structure를 가지고 있다.
key data structure은 다음으로 이루어져 있다:

• Process list : process를 manage하기 위한 list. ready process, blocked process, current running process로 구성되어 있다.
• Register context : current CPU를 위한 것이다.

PCB는 각 프로세스에 대한 정보를 갖고 있는 C-structure이다.
PCB에는 register variable이 저장되어 있다. CPU의 레지스터 value를 메모리의 PCB에 저장하고 이것이 running program을 stop하는 방법이다.
xv6의 proc이 PCB의 역할을 하고 Linux에서는 이를 task struct라고 한다. 각 OS마다 사용하는 이름은 달라도 같은 컨셉을 사용하고 있다.

xv6 Kernel Proc Structure

struct proc {
	char *mem;					// Start of process memory
	uint sz;					// Size of process memory
	char *kstack;				// Bottom of kernel stack
								// for this process
	enum proc_state state;		// Process state
	int pid; 					// Process ID
	struct proc *parent; 		// Parent process
	void *chan;		 			// If non-zero, sleeping on chan
	int killed; 				// If non-zero, have been killed
	struct file *ofile[NOFILE]; // Open files
	struct inode *cwd; 			// Current directory
	struct context context; 	// Switch here to run process
	struct trapframe *tf; 		// Trap frame for the
								// current interrupt
};

proc은 PCB이며 PCB는 key structure이다. 가장 먼저 initialize하고 조심히 manage해야 한다. running program을 manage하기 때문이다. 그리고 이것이 CPU virtualization의 key이다.

mem, sz, kstack은 memory state를 capture하는데에 사용된다.
context는 CPU state를 capture하는데에 사용된다.