[OS] 2장. OS 상식과 인터럽트

[수업출처] 숙명여자대학교 소프트웨어학부 김주균 교수님 '운영체제' 수업 & [OS? Oh Yes!]

 

1. OS의 목적

- 사용자와 컴퓨터 사이의 가교 역할 → 사용자가 컴퓨터를 보다 편리하게 사용할 수 있도록 함

- 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 사용될 수 있게 해야 함

 

- 사용자의 입장에서는 사용하기 쉽고 편리하며, 배우기 쉽고 신뢰할 수 있으며 빨라야 함

- 만드는 사람의 입장에서는 설계, 유지, 보수가 쉽고 적응성이 좋으며 오류없이 효율적이어야 함

- 경우에 따라 모두 가질 수 없는 경우가 많기 때문에 사용되는 환경에 맞춰 순위에 따라 합의해야 함

 

2. 부팅

- 전원이 꺼져있는 시스템에서 운영체제 전부는 디스크에 저장되어 있음

- 전원이 켜지면 운영체제의 일부인 '커널'이 메모리에 올라와 실행됨

→ 장치 준비, 각종 레지스터 값 초기화, 사용자의 입력 받을 준비 완료 → '부팅되었다'

- 이때 동원되는 것이 부트 프로그램(부츠트랩 로더), 대개 ROM에 저장되어 있음 → 전원이 켜지면 무조건 제일 먼저 실행됨

→ 커널을 찾아 메모리에 올린 후 실행시키는 역할

 

3. 레지스터

- CPU에 내장되어 있는 메모리보다 빠른 기억장치

- 시스템과 사용 목적에 따라 8비트, 16비트, 32비트 등의 크기 가짐

- 일반적으로 데이터, 주소, 조건 코드 레지스터 등이 있음

    - 데이터 레지스터: 연산 (메모리보다 빠름)

    - 주소 레지스터: 데이터나 명령어의 메모리 주소 저장하거나 계산

        - 인덱스 레지스터: 주소 지정

        - 세그먼트 포인터, 스택 포인터: 해당 포인터 값 저장

- CPU 연산 제어하기 위한 레지스터

    - MBR, MAR, IR, PC 등

- 모든 CPU는 현재 상태 정보를 저장하기 위해 프로그램 상태 워드(PSW)라는 레지스터 가짐

    - 여러가지 조건(condition)코드와 함께 인터럽트 가능, 불가능을 표시하는 비트, 현재 실행 모드를 나타내는 비트 등 포함

 

4. 명령어 처리

- 명령어 반입: 레지스터를 이용하여 메모리에 있는 명령어를 읽어 처리기에 있는 레지스터로 갖고 옴

- 연산 종류 파악, 실행 → 하나의 명령어 처리

- 반입에서 다음에 실행해야 할 메모리에 있는 명령어의 주소는 PC 레지스터가 갖고 있음

 

5. 인터럽트

1) 폴링(Polling)

- 컴퓨터 시스템의 각 자원들의 현 상황을 파악할 수 있는 방법 중 하나

- CPU가 일정한 시간 간격을 두고 각 자원들의 상태를 주기적으로 확인하는 방식

- 자원들은 폴링 신호를 받은 후 자신의 상태나 원하는 바를 CPU에게 알려줌

- 폴링의 간격을 정해야 하며, 각 자원들은 직전 폴링 이후 변화된 상태를 다음번 폴링 때까지는 알릴 수 없다는 단점

- 아무 일이 없을 때에도 CPU는 폴링에 일정량의 시간을 들여야 한다는 부담

 

2) 인터럽트

- 각 자원들이 능동적으로 자신의 상태변화를 CPU에게 알리는 방식

- CPU는 따로 시간을 들이지 않아도 되고, 자원들은 상황을 즉시 알려 처리받을 수 있음

- 오늘날 거의 대부분의 시스템에서 채택하고 있음

- 하드웨어 인터럽트: 장치 또는 주변장치들로부터의 인터럽트

- 소프트웨어 인터럽트: CPU 스스로 자신에게 인터럽트(=trap) (명령어 때문), 입출력할 때 시스템 콜

 

3) 인터럽트 처리 과정

- 장치가 CPU에 인터럽트 신호 전송 → 명령어 실행중이라면 명령어 실행을 우선 완료시키고 인터럽트 신호 확인 → 인터럽트 처리 루틴 실행 전, 실행중이던 프로그램의 현 상태 정보(PSW, PC 레지스터 값 등)를 시스템 스택에 저장 → 인터럽트 처리 루틴의 시작 주소를 PC에 넣어 실행 → 인터럽트 처리 루틴 실행

 

- 인터럽트 처리 루틴: CPU에 있는 레지스터들의 값 저장 → 필요한 인터럽트 처리

 

- 인터럽트 처리가 끝나면 이전에 저장했던 레지스터 값들 다시 재저장, PSW와 PC 값 원래 자리에 넣어주고 실행 → PC에 들어가있는 값이 인터럽트 이전에 실행 중이던 프로그램에서 다음에 실행할 명령어 위치 → 프로그램 실행 이어나감

 

4) 중첩된 인터럽트의 처리

- 순차적 처리: 인터럽트를 처리하는 동안 발생하는 인터럽트는 현재 처리가 끝난 뒤 차례대로 하나씩 처리해줌

- 중첩 처리: 현재 처리 중인 인터럽트를 잠시 접어두고 또 다른 인터럽트로 실행을 옮길 수 있음

- 인터럽트의 중요도에 따라 우선순위가 더 높은 경우에는 중첩을, 그렇지 않은 경우는 순차적으로 구현하는 방법

 

6. 기억 장치의 계층적 구조

[자기테이프 - 광디스크 - 자기디스크 - 전자디스크 - 주기억장치 - 캐시 - 레지스터]

 

- 보통 속도와 가격은 비례하기 때문에 용도에 맞게 적절히 저장장치를 계층적으로 구성하는 타협 필요

- 상위계층에 있을수록 속도와 가격이 올라감

- CPU에 의해 처리되어질 명령어나 데이터가 상위에 있을수록 시스템의 성능은 좋아짐

- 프로그램 또는 데이터는 평소에는 하위계층에 저장되다가 실행시에 적당량이 상위계층과 하위계층으로 번갈아 교체되어지면서, CPU는 최대한 상위계층으로 접근하도록 만들어 처리 속도를 높임

 

- 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 주기억장치(메모리)에 있어야 함

- 메모리에 있는 프로그램의 일부분이 다시 캐시로, 그 중 실행되어질 명령어는 처리기 레지스터에 적재되어 실행됨

- 메모리 관리를 어떻게 하느냐에 따라 시스템의 성능 좌우 → 운영체제의 역할 중요

 

7. I/O 방식 (입출력 방식)

- 하나의 입출력 장치에는 컨트롤러가 있고, 여기에는 CPU와 입출력 데이터를 저장하는 버퍼 존재

 

[CPU의 개입 정도에 따라]

1) 프로그램에 의한 입출력

- CPU는 입력을 지시한 후 워드가 컨트롤러의 버퍼에 입력되었는지 계속 확인

- 인터럽트가 필요없는 대신 CPU가 지속적으로 완료 여부 확인해야 함 

→ 전체 입출력 완료될 때까지 CPU 낭비됨

 

2) 인터럽트에 의한 입출력 

- 입력을 지시한 후 입력이 이루어지는 사이에 CPU는 다른 작업에 활용됨

- 입력 완료 시 인터럽트를 통해 CPU에 알림

- 프로그램에 의한 입출력 때의 CPU 낭비 없앨 수 있음

- 버퍼의 크기에 비해 입출력할 데이터가 클수록 잦은 인터럽트 처리가 요구됨

 

3) 메모리에 직접 접근하는 입출력(DMA)

- 인터럽트에 의한 입출력에서 인터럽트가 호출되는 횟수를 줄이고자 한 방식

- 입출력 작업을 CPU 대신 해줄 수 있는 '채널'이라는 위성 프로세서 필요

- CPU는 입출력할 데이터의 시작주소와 크기 등을 채널에게 알려주고 다른 작업에 동원됨

- 이때부터 입출력은 채널의 주도하에 이루어짐

- 일반적으로 한 번의 입출력 단위를 블록이라고 부르며, 채널은 블록 단위로 CPU에게 인터럽트를 보내 알림

 

- CPU와 채널이 동시에 메모리에 접근할 때, 메모리는 한 번에 하나의 접근만 허용하기 때문에 둘 중 하나를 결정해야 함

- Cycle Stealing: 일반적으로 속도가 빠른 CPU가 평소 메모리 접근 기회를 더 많이 가지기 때문에, 이때는 채널에게 기회를 주는 것이 공평하다고 보고 설계함

 

[하드웨어의 구성에 따라]

1) 독립적인 입출력

- 입출력 장치들이 입출력 버스(I/O Bus)를 통해 CPU와 연결되어 있는 경우

- 메모리는 따로 메모리 버스를 통해 연결되어 있음

- 입출력은 입출력을 담당하는 명령어를 통해 실행되는데, 입출력 버스를 통해 해당 장치의 지정, 데이터, 입출력을 구분해주는 제어값이 전달됨

- 입출력 명령어가 명령어 집합에 추가되므로 제어 로직이 복잡해지고, 입출력 버스를 장착하는데 추가 비용이 드는 단점

 

2) 메모리 주소지정 입출력

- 입출력 장치들이 메모리와 함께 메모리 버스에 연결되어 있음

- 입출력을 위한 명령어를 따로 두지 않고, 메모리에 대한 명령어(MOVE, LOAD 등)를 사용하여 실제 입출력 실행

- 입출력 장치들은 각각 메모리의 한 번지를 할당받아, 메모리에 대한 명령어로 그 번지에 해당하는 장치로의 입출력이 되도록 하는 것

- ex) 입출력 장치 2개, 주소의 크기가 3비트(0~7번지)라면 메모리는 0번지부터 5번지를 가는 크기이고, 6, 7번지는 입출력 장치를 나타내도록 하는 것인데 주소 공간만큼의 메모리를 활용할 수 없다는 단점이 있음