백짱미 개발log

본 포스팅은 공룡책으로 불리는 Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne의 『Operating System Concept 10th』 기반으로 정리한 글입니다.

Operating System Services

OS service

1. user에게 유용한 기능

• User Interface (사용자와 컴퓨터의 연결 지점)
• Program execution (프로그램을 메모리에 로드하고 실행, 종료)
• I/O operations (사용자가 직접 제어X, 입출력 명령으로 I/O 방법 제공)
• File-system manipulation (I/O, 조작, 권한 관리)
• Communications (process간 통신) (1. shared memory) (2. message passing)
• Error detection (오류 탐지 및 수정, 종류에 따른 처리 진행)

2. System 자체적으로 효율적인 운영을 위한 기능

• Systems with multiple processes can gain efficiency
• Resource allocation (효율적인 CPU 사용을 위해 CPU 속도, 실행돼야 하는 프로세스, core 수 등을 고려하여 CPU 스케줄링 진행)
• Logging (어떤 프로그램이 어떤 자원을 얼마나 사용하는가)
• Protection and security (자원 접근 통제, 외부 침입에 대한 인증 요구)

User and Operating System Interface

• CLI (Command-Line Interface) or command interpreter
• GUI (Graphic User Interface)

Command Interpreters

• 사용자-지정 명령 처리
• 파일 조작
• 구현 방법
  • 명령 해석기 자체가 명령어를 실행할 수 있는 코드 내장
  • 명령을 실행하는 파일(프로그램)이 별도로 존재하고, 이를 호출해서 실행
  • 이 경우 프로그래머가 system에 새로운 명령어 추가하기 쉬움

System Calls

OS 서비스에 대한 인터페이스를 제공하는 역할

• System call table : 특정 system call에 할당된 동작들이 있고, 이것들이 모인 곳(Interrupt vector)
• System call은 kernel과 user program을 이어주는 interface 역할
  • ex) user program이 파일을 열 때 시스템에 접근하기 위해서는 kernel mode로 전환되어야 하고, 여러 동작들을 수행하기 위해서는 system call이 여러 번 호출됨
  • 그 후 실제 I/O 처리가 이뤄지고 후처리 과정 거침

Application Programming Interface (API)

• 단순한 프로그램도 OS의 기능을 많이 사용하며 수많은 system call 호출
• 개발자가 system call을 직접 처리하는 대신 사용할 수 있는 집합인 API 사용
• OS가 제공하는 라이브러리를 통해 API를 사용하여 이를 구성하는 함수들이 개발자를 대신하여 실제 system call 수행
• Most Common API
  • Window, POSIX, Java API

API 장점

• program portability (이식성) : 동일한 API를 사용하면 어떤 시스템에서라도 complie & run
• 실제 system call은 정교하여 다루기 어려우므로 편리한 API 사용

RTE (Run-Time Environment)

• 특정 프로그래밍 언어로 쓰여진 application을 수행하기 위한 sw 집합
• system-call interface 제공
  • OS가 제공하는 system call에 대한 연결점
• API 함수 호출이 일어나면 이를 가로채서 필요한 OS System call을 호출
• System call에 대한 번호가 있고, 이에 따라 index된 테이블을 유지
• System call interface는 system call의 상태 정보 return

System Call Implementation

 OS에게 parameter 전달 방식

• register 이용
• memory block 이용 : 메모리 내 block이나 table에 저장 
  • 그 시작 주소를 register에 parameter로 전달
• 조합 : parameter의 수에 따라 register or block method 사용

Types of System Calls 

• Process Control
• File management
• Device management
• Information maintenance
• Communications
• Protection

Process Control

• Program → 정상 end() / 비정상 abort()
• 정상/비정상적 상황에서 제어는 command interpreter로 무조건 전달
• process가 다른 program을 load() / excute()
• 프로세스 생성, 종료, 복제
• 생성된 프로세스의 실행 종료를 기다림
• 특정 시간만큼 기다림 (sleep)
• 특정 event를 기다리거나 일으킴 (signal)
• 메모리를 할당하거나 해제 (allocate)
• 공유 데이터 잠금/해제

Communication

proces 간 통식 방식

1. Message Passing Model
   
   • Mailbox를 통한 message 교환
   • connection 후 통신
   • 상대의 이름(id)을 알아야 통신 가능
   • 충돌이 없고 구현이 더 쉬움
2. shared-memory 
   • 공유 영역에 읽기/쓰기 함으로써 정보 교환
   • 동시에 같은 위치 기록 X
   • 컴퓨터 내에서 메모리 전송 속도로 수행하므로 속도가 빠르고 통신이 편리
   • process간 보호와 동기화에서의 문제 발생

Linkers and Loader

program은 disk 상에서 binary executable file로 저장되는데, 이런 program을 memory에 load한 후 process로 배치한다.

• compiler : source program → object file (소스 코드를 바이너리 코드로 변환)
• linker : object file → executable file (relocatable object file들을 연결하여 single binary executable file로 변환)
• loader : executable file → program in memory (executable file을 memory에 적재하는 역할)
• ./main : fork() 시스템 콜을 통해 새로운 process가 생성
• build : source program이 compiler와 linker를 거쳐 executable file이 되는 과정
• dll(dynamically linked libraries) : program 중에서 기본적으로 실행하지 않고 사용자가 요청할 때, 실행 중간에 동적으로 link되는데, 여러 process들이 DLL을 공유하여 메모리를 절약
• object file = 컴파일, 어셈블러를 통해 변환된 파일 (기계어), relocatable object file (ELF 포맷)

Why Applications Are Operating-System Specific

특정 OS에서 컴파일된 application은 다른 OS에서 실행이 불가능한데, 이는 OS가 고유의 system call을 제공하기 때문이다.

• interpreter 언어로 작성한다 (interpreter는 여러 OS에서 사용 가능)
  • 소스 프로그램의 각 line을 읽어서 상응하는 유사 기계어를 실행하고 OS call을 호출한다
  • 기계어로 구성된 것보다 성능이 떨어지고 intepreter가 OS의 일부 기능만 제공한다는 단점이 있다
• 가상 머신을 포함한 언어로 작성한다 (Java)
  • Java RTE는 java 응용을 java 가상 머신으로 load하기 위한 요소들을 포함한다
  • 이러한 RTE가 많은 IS에 이식되어 어떤 java 응용이던지 RTE 내에서 실행이 가능하다
  • 성능 저하 문제가 있다
• 표준 언어나 API를 사용한다
  • 어디서든 컴파일이 가능하다
  • 실행될 OS에서 port되어야 하기에 시간이 소요된다

Operating System Design and Implementation

Mechanisms and Policies (기법과 정책)

• Mechanism : 기법, 어떻게 할 것인가
• Poicies : 운영상 정책/수단, 무엇을 할 것인가

→ 기법과 정책을 분리함으로써 융통성이 생긴다. (여러 정책에서 사용될 수 있는 기법)

프로그램 유형에 따라 우선순위를 부여하는 기법과, 자원 할당 여부를 결정할 때마다 정책이 필요하다.

ex) CPU protecting의 경우 Timer mechanism을 사용하고 사용자 별로 타이머 시간을 다르게 설정하는 식으로 구현된다.

Operating System Structure

운영체제가 제대로 동작하고 쉽게 수정이 되도록하기 위해서 main 함수에 전체 코드를 넣는 대신 여러 함수로 로직을 분리해야 한다.

1) Monolitic Structure (Tightly coupled system)

• 커널의 모든 기능을 single, static binary 파일에 넣음
• 단일 주소 공간에서 실행됨
• 장점
  • 구조가 단순
  • 구현, 확장이 어려움
  • system-call interface에서 overhead가 거의 없고 kernel 내 통신이라 빠름 (한 번에 메모리로)
  • 속도/효율성 때문에 여전히 사용되는 구조
• ex) original unix os

• The Linux OS (UNIX 기반, 변형)

2) Layered Approach (Loosely coupled system)

• System이 개별적인 작은 요소들로 분리됨
• 모든 요소들이 kernel을 구성
• Module식 설계의 한 방법

• OS 계층은 data와 operation으로 구성되는 추상화 객체의 구현
• 상위 계층 M은 하위 계층의 연산(기능)을 호출함
• 계층 M은 상위 계층에서 호출되는 data/function으로 구성됨

• 장점 (construction과 debugging의 간편함)
  • Layer 0에서는 hardware가 정확하다고 가정했을 때 다른 부분은 신경 쓰지 않고 디버깅 가능
  • 단계별로 이전/하위 단계가 정확하게 동작한다고 가정
  • error 발견했다면 해당 층에서의 문제
  • 계층별로 이전/하위 계층에서 제공하는 연산이 어떻게 동작하는지는 몰라도 됨
  • 각 계층은 상위 계층에 특정 정보들을 숨김
• 단점 (Pure layered approach 방식의 OS는 잘 사용되지 않음)
  • 적절한 계층별 기능 정의의 어려움
  • 전체적 성능 저하

→ 계층을 줄여서 모듈화 코드의 장점을 제공하면서 문제점을 피하도록 함

3) Micorkernels

Smaller kernel(Mach) - Microkernel 접근 방식으로 커널을 모듈화함

• 중요하지 않은 요소는 커널에서 제거하고 별도의 주소 공간에 존재하는 user level program으로 구현
• 통신 기능 외에 최소한의 프로세스/메모리 관리 기능 제공
• Message passing 통한 간접적인 통신 제공
• 장점
  • OS 확장이 쉬움 - 새로운 service는 user space에 추가, kernel은 수정이 불필요
  • kernel에 대한 보안/신뢰성 제공 - 대부분의 service가 user process로 실행
• 단점
  • 가중된 시스템 기능 부하로 인한 성능 문제
  • 두 사용자 서비스 통신으로 서비스 간 메세지 복사 (독립된 주소 공간)
  • 메세지 교환을 위한 프로세스 간 전환(switch) 필요
  • 메세지 복사/프로세스 간 전환이 microkernel 기반 OS 성장에 장애가 됨

4) Modules → 현대적 OS 구현

Loadable kernel modules (LKMs)

• kernel은 핵심 요소들을 가지며, boot/run time시 추가 서비스들은 모듈로 연결한다
• kernel은 핵심 service를 제공하며 다른 service들은 kernel 실행 동안 동적으로 구현한다 (실행 중 변경 가능)

ex) CPU 스케줄링, 메모리 관리 -> kernel에 직접 구현 // 파일 시스템 지원 → LKM으로 구현

Layered system과 유사

• 각 kernel 영역이 defined, protected 인터페이스를 가짐
• 계층적 동작이 아닌 임의의 다른 모듈 호출 가능

Microkernel approach 유사

• 주 모듈이 핵심 기능을 가지며 다른 모듈을 적재하고 통신하는 방법을 안다
• mesage passing을 사용하지 않으므로 더 효율적이다

Linux

• 리눅스는 device driver, file system 지원을 위해 LKM을 사용한다
• LKM은 시스템 시작, 또는 실행 중에 kernel에 insert된다
• 필요한 driver가 없으면 동적으로 적재/제거 가능하다
• LKM을 허용하면서 monolithic system의 성능에서의 이점을 유지한다

본 포스팅은 공룡책으로 불리는 Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne의 『Operating System Concept 10th』 기반으로 정리한 글입니다.

운영체제

• Operating system, 컴퓨터 하드웨어를 관리하는 소프트웨어
• 사용자가 편리하고 효율적으로 프로그램을 실행할 수 있는 환경을 제공

운영체제는 자동차부터 스마트폰, PC, 클라우드 컴퓨팅 환경까지 어느 곳에나 존재한다.

따라서 현대 컴퓨팅 환경에서 OS의 역할을 탐구하기 위해 먼저 컴퓨터 하드웨어의 구성과 구조를 이해하는 것이 중요하다.

필요 기반 지식으로 CPU, 메모리 및 I/O 장치, 저장장치가 포함된다.

컴퓨터 시스템

• 컴퓨터 : 정보를 처리하는 기계

정보

• 불확실성을 측정해서 수치적으로 표현한 것 l(X) = -log2P(X)
• 정보의 최소 단위 bit (binary digit)

What Operating Systems Do

컴퓨터 시스템의 네가지 구성 요소

• HW
• OS
• application program
• User

1) 하드웨어 HW

하드웨어는 중앙 처리 장치(CPU), 메모리 및 입출력(I/O) 장치로 구성되어 시스템의 기본 컴퓨팅 리소스를 제공한다.

2) 운영체제 OS

하드웨어 제어와 다양한 응용 프로그램 간의 하드웨어 사용을 제어하고 조정하는 역할을 한다.

3) 응용 프로그램 application program

응용 프로그램이란 워드 프로세서, 스프레드시트, 컴파일러, 웹 브라우저 등을 말하며 사용자의 계산 문제를 해결하기 위해 이들 자원이 어떻게 사용될지를 정의한다.

4) 사용자 User

사용자 관점에서의 운영체제

한 사용자가 리소스를 독점하도록 설계되어있다.

사용자가 수행하는 작업을 최대화하며, 대부분이 Resource utilization을 위해 설계된다.

컴퓨터에 대한 사용자의 관점은 인터페이스에 따라 달라진다.

시스템 관점에서의 운영체제

운영체제는 하드웨어와 가장 밀접하게 연관된 프로그램으로, 자원 할당자(resource allocator)로 볼 수 있다.

자원에 대해 서로 상충되는 많은 요청들이 있으므로 운영체제는 컴퓨터 시스템을 효율적이고 공정하게 운영할 수 있도록 어느 요청에 자원을 할당할 지를 결정해야 한다.

또한 제어프로그램으로도 볼 수 있다.

오류 및 부적절한 사용을 방지하기 위해 사용자 프로그램을 관리한다. 또한 I/O 장치의 작동 및 제어를 관리한다.

다시 한번 운영체제에 대한 정의를 내려보자.

일반적으로 운영체제에 대한 적합한 정의는 없다.

운영체제는 유용한 컴퓨팅 시스템을 만드는 문제를 해결할 수 있는 합리적인 방법을 제공하기 때문에 존재한다.

컴퓨팅 시스템의 기본 목표는 프로그램을 실행하고 사용자의 문제를 더욱 쉽게 해결할 수 있게 하는것인데, 하드웨어만으로는 쉽지 않으므로 응용 프로그램이 개발되는 것이다.

그런데 이러한 프로그램에는 입출력 장치 제어와 같은 특정 공통 작업이 필요하고, 이런 기능은 운영체제라는 하나의 소프트웨어로 통합된다.

보다 일반적인 정의는, 운영체제는 컴퓨터에서 항상 실행되는 프로그램이다.

일반적으로 커널이라고 한다.

컴퓨터 시스템의 구성 (Computer-System Organization)

현대의 범용 컴퓨터 시스템은 하나 이상의 CPU와 Device Controller로 구성되며 공유 메모리 사이 액세스를 제공하는 공통 버스를 통해 연결된 여러 장치 컨트롤러로 구성된다.

일반적인 컴퓨터 시스템 구성

• 구성 요소 (CPU, Device Controller)
  • 디바이스 컨트롤러 : 일부 로컬 버퍼 스토리지와 특수 목적 레지스터 집합을 유지, 관리
  • CPU와 디바이스 컨트롤러는 메모리 사이클에 대한 경쟁을 하며 병렬로 실행이 가능하다.
• 시스템 버스
  • 구성요소 <=> 공유 메모리
• 공유 메모리

• OS는 각 device controller(장치 측면)에 대해서 device driver(OS 측면)라는 장치 제어 프로그램을 가진다.
  • device controller는 local buffer storage와 refister의 집합을 가진다.
• CPU는 device controller를 통해 device에 I/O 명령을 내린다.
• device controller는 interrupt를 통해 CPU에게 실행이 끝났음을 알린다.

시스템 작동 방식 : 1) 인터럽트 -> 2) 스토리지 구조 -> 3) I/O 구조

인터럽트 (Interrupts)

인터럽트는 운영체제에서 하드웨어가 상호작용하는 방식의 핵심 부분이다.

CPU가 인터럽트되면 하던 일을 멈추고 즉시 서비스 루틴의 시작 주소로 이동한다. 이후 작업이 완료되면 CPU는 중단되었던 연산을 제거한다.

CPU와 I/O device가 통신하는 방법으로, HW는 언제나 interrupt trigger할 수 있다.

bus를 통해서 CPU에 신호를 전달한다,

I/O 작업 수행 방식

1. 디바이스 드라이버가 디바이스 컨트롤러에 적절한 레지스터를 로드한다.
2. 디바이스 컨트롤러는 레지스터의 내용을 검사하여 수행 작업을 결정한다.
3. 디바이스 컨트롤러는 장치에서 로컬 버퍼로 데이터 전송을 시작한다.
4. 데이터 전송이 완료되면 디바이스 컨트롤러는 디바이스 드라이버에게 작업이 완료되었음을 알린다. 이때 디바이스 컨트롤러에서 디바이스 드라이버에게 작업 완료를 알리는 역할을 하는 것이 인터럽트이다.
5. 이후 디바이스 드라이버는 읽으려는 데이터의 포인터 또는 상태 정보를 반환한다.

인터럽트 작동 방식

1. 인터럽트별 핸들러 호출
2. 포인터 테이블을 사용하여 인터럽트 루틴 진행
   • 속도 향상, 중간 과정 필요 X
   • 포인터 테이블: 인터럽트 서비스 루틴의 주소 보유
3. 인터럽트 벡터(테이블) - 인터럽트 요청 번호 인덱싱
4. 인터럽트 핸들러 루틴으로 이동
5. 해당 인덱스 주소에서 서비스 시작
   • 이때 인터럽트 핸들러는 작동 중의 모든 상태 저장 → 처리 수행 → 상태 복원 수행
6. 작업이 모두 완료되면 복귀 명령을 실행하여 CPU를 인터럽트 실행 이전 상태로 복원

인터럽트 아키텍처는 인터럽트 처리 전 상태로 복원할 수 있도록 인터럽트된 상태 정보를 저장한다.

이후, 인터럽트가 서비스된 후 이전 리턴 주소로 돌아가 인터럽트가 발생하지 않은 것처럼 복원하고 이전의 연산을 재개한다.

Storage Structure

커널은 실행기(Executor)를 통해 프로그램을 실행시킨다. 실행기는 기억장치(Storage)에서 exe파일(Windows의 경우)을 가져오고, 커널이 이것을 메모리에 할당해 실행시킨다.

즉, 모든 program은 반드시 main memory에 올라야만 실행될 수 있다. 하지만 main memory는 DRAM으로 구현하여 휘발성이고 용량이 작기 때문에 별도의 저장장치가 필요하다.

현대 컴퓨터 시스템은 기본적으로 폰 노이만 구조를 따른다.

폰노이만 아키텍처 (von Neumann architecture)

• 전형적인 시작-실행 사이클
  • fetch & execute
• 메모리에서 명령어 레지스터, 데이터 레지스터 사용
  • instruction register

Storage Hierarchy

• storage system은 여러개의 hierarchy로 구성
  • 용량과 속도에 따라 계층 구조 구성
  • registers - cache - main memory - ssd (solid-state disk) - HDD (hard disk) - optical disk - magnetic tapes (백업!)

Computer-System Architecture

• core : 명령어 실행, 데이터 local 저장하는 요소 (register를 가짐)
• main CPU with core : 범용 명령어 셋을 실행

Computer System Component

• CPU
• Processor
• Core
• MultiCore
• MultiProcessor

Single-Processor Systems

• 하나의 CPU(core 1개)를 갖는 시스템

Multi-Processor Systems (parallel system, tightly-coupled system)

• 여러 개의 Single-core CPU를 갖는 시스템
• processor들은 computer bus, clock, memory, peripheral device 등을 공유한다.
• throughput 증가 (processor 수와 성능이 정비례하지는 않음)
• Economy of Scale(규모의 경제 - 여러 개의 단일 시스템에 비해 비용 절약)
• Increased Reliability(증가된 신뢰성 - 어느 구성 요소의 고장에도 불구하고 동작을 계속할 수 있기에 우아한 퇴보를 넘어 결함 허용이라고 불림)

1) Asymmetric MultiProcessing (AMP) - 각 processor에 특정 작업이 할당

• 서로 다른 칩에 각각 CPU가 있는 구조
• processor가 실행하는 task가 구분됨
• core 간 기능 차이가 있음

2) Symmetric multiprocessing (SMP) - 각 processor가 모든 작업 수행

• 메모리 하나에 각각 연결된 CPU가 각각의 register와 cache 가지고 task 수행
• 서로 다른 칩에 각각 CPU가 있는 구조
• processor가 실행하는 task 구분이 없으며 core 간 기능 차이가 없음

Multi-core systems - 하나의 CPU에 여러 core를 넣음, 진화된 구조

• 여러 core들이 한 chip에 있는 구조
• 한 칩에서 CPU core끼리 통신하기에 칩 사이 통신보다 훨씬 빠름
• power를 적게 쓰며 각 core는 자신의 register set과 local cache를 가짐

이러한 multi-processor system에서 CPU를 추가한다면 분명 성능이 향상될 수 있지만 확장성은 떨어지게 된다.

또한 너무 많은 CPU를 추가하는 경우 system bus에 대한 경쟁을 초래하여 성능 저하로 이어진다.

Clustered Systems

multiple-processor와 비슷하나 아래와 같은 차이점이 있다.

• node(individual systems)들로 구성된다.
• 각 node들은 multicore system으로, 느슨하게 연결된다.
• storage를 공유하고 LAN이나 faster interconnect를 통해 연결된다.

즉, 멀티프로세서 시스템은 여러 CPU가 하나의 시스템을 이루는 것이지만, 클러스터 시스템은 여러 독립적인 시스템(node)들이 모여 하나의 시스템을 이루는 것이다.

• asymmetric clustering : node들의 기능이 비대칭, 한 machine은 hot-standby mode (모니터링만 하고 대기중). 나머지가 사용됨
• sysmmetric clustering : node들의 기능이 대칭, 서로 모니터링하고 노는 node없이 모두 사용됨

다음과 같은 특징이 있다.

• high-availabilty service : 한 node가 고장나도 나머지가 정상 작동
• high-performance computing environments : 한 어플리케이션이 클러스터 내 모든 컴퓨터에서 병렬 실행, 작업 분배 → 컴퓨팅 파워가 훨씬 좋다.
• reliability : 안정성이 높다. graceful degradation(연속적인 서비스 제공), fault tilerant(failure에도 불구하고 계속 동작 가능)

Operating-System Operations

Initial program (Bootstrap program)

• 컴퓨터 전원 키면서 실행되는 첫 프로그램
• OS를 메모리에 로딩하는 프로그램

컴퓨터를 실행하기 위해 초기 프로그램인 bootstrap program 실행해야 한다.

비휘발성인 firmware로 HW에 저장되어 부팅 시 실행된다.

• 시스템을 초기화시킨다 (CPU register, device controller, memory contents)
• OS 커널을 찾아 메모리에 로드한다.
• 커널이 로드되어 실행되면 시스템과 사용자에게 서비스를 제공한다. "systemd"라는 프로그램은 리눅스에서 가장 먼저 실행되며, 다른 daemon을 시작한다.

이벤트의 처리 Events

이벤트는 interrupt를 발생시켜 신호를 보낸다.

• Hardware interrupt : device에서 발생
• Trap or Exception : software error, system call (CPU의 도움이 필요한 경우 OS 필요)

Multiprogramming and Multitasking

프로그램은 단순히 저장 장치에 저장된 파일에 불과하며 이러한 프로그램이 메모리에 올라와 실행되면 그것을 프로세스라 부른다.

Multiprogramming

• 여러 프로그램을 메모리에 로드해두고 한 프로세스가 대기 상태가 되면 다른 프로세스의 작업을 수행하는 시스템
• 한 개 이상 프로그램이 실행
• 여러 메모리가 동시에 올라가 있음 → CPU 활용 증가

Multitasking (=multiprocessing)

• multiprogramming의 논리적 확장
• 하나의 CPU를 가지고 여러 프로세스 돌리기
• CPU scheduling
  • CPU 효율 제일 좋게 만들도록 고려
  • 어떤 CPU를 다음으로 돌릴까 switch하며 작업
• 다음과 같은 기능 필요
  • memory management : 여러 process들이 동시에 memory에 접근해서는 안됨
  • CPU scheduling : 어떤 작업을 먼저 처리할 지 결정해야 함
  • process scheduling, disk storage and memory management : 여러 process들을 동시에 실행시키기 위해 서로 영향을 미치는 기능을 제한해야 함

Dual-mode and Multimode Operation

악의적으로 사용자가 OS 코드를 멋대로 수정하는 경우 문제를 방지하기 위해 다른 프로그램이 잘못 실행되지 않도록 해야한다.

그래서 나온 것이 Dual mode로, 실행 모드를 구별하여 권한을 달리 하는 것이다.

• user mode (1)
• kernel mode (0) (= supervisor mode, system mode, privileged mode)

node의 전환은 system call에 의해 이뤄진다.

• user application이 OS에 service 요청
• system은 반드시 user mode에서 kernel mode로 전환해야 함

Timer

• 특정 시간이 지난 후 interrupt가 발생하도록 설정
• 사용자 프로그램이 무한 루프나 system service 호출에 실패하여 제어가 OS로 넘어가지 않는 경우 방지

Process Management

• program은 하나지만 procss는 여러 개일 수 있음
• process는 순차적으로 수행
• 한 번에 하나의 명령만 수행
• process가 병행 실행되도록 서브 process들을 생성하는 system call 제공

Program counter

process는 program이 어디까지 실행되었는지 북마크하는 program counter를 가지고 있다.

• Single-thread process : 하나의 program counter 가짐
• Multi-thread process : 여러 개의 program counter 가짐

Memory Management

Main memory는 매우 커다란 byte의 배열이며, 각 byte에는 주소가 있다.

CPU는 instruction-fetch cycle 동안 main memory에 올라온 명령어들을 읽는다.

그리고 data-fetch cycle 동안 main memory에 데이터를 읽거나 쓴다.

→ 명령어(Instruction)들은 반드시 CPU에 의해 실행되기 전 memory에 load되어야 한다.

Program 실행 과정

• program이 실행될 때 절대 주소로 mapping되고 memory로 load되어야 한다.
• program이 실행되면서 memory의 명령어와 데이터에 접근한다.
• program이 끝나면 memory 공간이 사용 가능함을 공표하고 다음 program이 load되고 실행된다.

Cache Management

Cache는 매우 빠르고 작은 저장 장치이며, Caching은 cachce memory를 이용해 컴퓨터 속도를 높이는 기술이다.

cache에 자주 사용되는 data를 미리 담아두고 CPU나 disk가 cache의 data를 참조할 수 있도록 한다.

데이터는 사용되면서 cache에 일시적으로 저장됨

• 특정 데이터 필요 시 cache를 먼저 확인
• size에 제약이 있어 관리가 필요
• 파일의 중복성이 증가하지만 속도 역시 증가함
• 지역성(Locality) 원리를 사용 → 시간지역성은 한 번 접근한 데이터에 다시 접근할 확률이 높다는 것이고, 공간지역성은 특정 데이터와 가까운 메모리 주소에 있는 다른 데이터에도 접근할 가능성이 높다는 것이다.