OS-2.System Structure & Program Execution

컴퓨터 시스템 구조

Computer
- CPU
  - mode bit : 사용자 모드 (0 : 커널, 1 : 사용자)
  - registers : CPU가 일시적으로 데이터를 저장하는 기억장치 입니다
  - interrupt line : 들어온 인터럽트를 확인하는 공간입니다
- Memory: CPU의 작업 공간입니다
timer : 한 작업 당 CPU를 일정시간 동안만 사용할 수 있도록하는 하드웨어 입니다 (인터럽트를 CPU에 겁니다)
DMA controller: CPU의 interrupt 작업을 대신해줍니다 (I/O 작업의 결과를 메모리에 반영하고 완료하면 CPU에 Interrupt를 한 번만 작업합니다)
memoery controller : DMA, CPU의 메모리 접근을 제어합니다 (DMA와 CPU가 동시에 같은 메모리를 작업하지 않도록 합니다)
I/O device
- device controller : 각 device를 제어합니다
- local buffuer : device controller 작업 공간입니다

해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU입니다
제어 정보를 위해 control register, status register를 가집니다
일종의 data register인 local buffer를 가집니다
I/O 작업은 실제 device와 local buffer 사이에 일어나고 I/O 작업이 완료되면 Device Controller는 Interrupt로 CPU나 DMA에 완료됨을 알려줍니다
device driver VS device controller
- device driver는 OS 코드 중에서 각 장치별 처리루틴을 작성한 software 입니다
- device controller는 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU인 hareware 입니다

CPU의 중재 없이 device controller가 device의 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송하도록 해줍니다
바이트 단위가 아니라 block 단위로 인터럽트를 발생시키기 때문에 CPU에 인터럽트가 적게 걸립니다

인터럽트 : 인터럽트를 당한 시점의 레지스터와 program counter를 저장한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘깁니다
인터럽트의 종류
- Interrupt (하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트입니다
- Trap (소프트웨어 인터럽트)
  - Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
  - System call: 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
인터럽트 관련 용어
- 인터럽트 벡터 : 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있습니다
- 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러) : 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수입니다

동기식 입출력 (synchronous I/O)
- I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램으로 넘어갑니다
- 구현 방법 1
  - I/O가 끝날 때까지 CPU를 가지고 있습니다
  - CPU낭비가 심하고 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있습니다
- 구현 방법 2
  - I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗습니다
  - I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세우고 다른 프로그램에게 CPU를 줍니다
비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
- I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 다시 원래의 사용자 프로그램에게 넘어갑니다
두 경우 모두 I/O 완료는 인터럽트를 통해서 알려줍니다

File System에 존재하는 프로그램이 메모리에 load될 때 code, data, stack 영역으로 구분되어지는 Virtual memory로 형성되어 지고, 실제 메모리에 올라가는 부분은 Virtual memory와 매핑되어지는 일부분만 올라갑니다. 이후에 메모리의 일부분은 File System에 존재하는 Swap area와 교체가 일어나면서 메모리에 올라갔다가 내려오게 됩니다.