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1. 부팅 if 전원꺼져 있는 시스템 -> 운영체제의 전부는 디스크에 저장되어 있을 것 부팅 = 전원 버튼 눌리고 커널이라고 불리는 운영체제 일부가 메모리에 올라와 실행되어, 장치들을 준비시키고 각종 레지스터 값을 초기화하고 사용자의 입력을 받을 준비를 마친 상태 where is 커널? how 메모리에 올라갈지 who가 알려주나? -> 부트 프로그램 or 부츠트랩로더 라는 작은 프로그램 얘네는 대게 ROM에 저장 부트 프로그램 -> 전원 켜지면 무조건 제일 먼저 실행되도록 / 역할 : 커널을 찾아 메모리에 올린 후 실행시켜주는 것 in PC와 같은 작은 시스템) ROM에 있는 부츠트랩로더가 더 단순한 기능만 가지게하고, 커널을 메모리로 올려줄 부트 프로그램은 따로 디스크에 있음 부츠트랩 로더 — 부트 프로그램을 메모리에 올려 실행 –> 부트프로그램이 — 커널을 찾아 메모리에 올려 실행 –> 부팅 완료 2. 레지스터 CPU(Central Processing Unit)가 요청을 처리하는 데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치 임시적으로 저장하는 장소를 메모리(RAM)이라고 알고 있을 것이다. 하지만, 메모리로 연산의 결과를 보내고 영구적으로 저장할 데이터를 하드디스크에 저장해야 하는 등의 명령을 처리하기 위해서는 이들에 대한 주소와 명령의 종류를 저장할 수 있는 기억 공간이 하나 더 필요하다. 그리고 이 공간은 무리 없이 명령을 수행하기 위해 메모리보다 빨라야 한다. 바로 이런 역할들을 하는 것이 CPU 옆에 붙어있는 레지스터! CPU는 여러 개의 레지스터 갖고 있음 메모리보다 빠른 기억장치(but 크기가 작아서 시스템과 사용 목적에 따라 8-16-32비트 등 = 명령을 한 번에 처리할 수 있는 레지스터의 비트 수의 크기 가짐) – 일반적으로 프로그램에서 이용 가능한 레지스터들 데이터 레지스터 : 연산을 위해 사용(연산속도 = 메모리에 있는 데이터에 대한 연산 > 레지스터에 있는 데이터의 연산 => 레지스터에 있는 게 더 빠름) 주소 레지스터 : 데이터나 명령어의 메모리 주소를 저장 / 계산에 사용 인덱스 레지스터: 주소 지정 세그먼트 포인터/스택 포인터(SP) 레지스터 : 해당 포인터의 값을 저장 stack pointer는 스택의 마지막 프로그램 요청 주소를 저장하는 레지스터이다. 스택의 최상단 주소를 갖고 있다고 보면 된다. – 얘네랑 다른 용도로 CPU의 연산을 제어하기 위해 사용하는 레지스터들 MBR : 메모리 버퍼 레지스터 MAR : 메모리 주소 레지스터 IR : 명령어 레지스터 PC : 프로그램 카운터 메모리에서 실행할 다음 명령어의 주소를 저장하는 레지스터이다. 예를 들어, 우리가 작성한 프로그램 코드가 있을 때, PC가 한줄 씩 코드를 읽어나가면서 다음 줄의 코드 주소를 PC에 저장. I/O AR, I/O BR : 입출력 주소 레지스터, 입출력 버퍼 레지스터 등등 ↑ 얘네는 다 CPU 안에 있음 PC와 SP의 차이점? 스택 포인터는 호출 스택을 추적하는 게 목적인 CPU 레지스터이다. 반면 프로그램 카운터는 컴퓨터가 프로그램 순서 중 어디에 위치해 있는지를 나타내는 CPU 레지스터이다. 스택 포인터는 스택의 마지막 프로그램 요청 주소를 보유하는 반면, 프로그램 카운터는 실행되어야 할 다음 명령어의 주소를 보유한다. – 프로그램 상태 워드 (Program Status Word, PSW) 레지스터 모든 CPU가 현재 상태 정보를 저장하기 위해 가짐 여러 가지 조건(Condition) 코드와 비트(인터럽트 가능/불가능 표시, 현재 실행모드를 나타내는 등)을 포함 3. 명령어 처리(Instruction) – 명령어 처리하기 위해 필요한 절차 우선 메모리에 있는 명령어를 읽어 처리기에 있는 레지스터로 갖고 오기 이때 연산을 제어하기 위해 사용되는 레지스터들이 동원됨 = 이 과정이 명령어 반입(Fetch) 이때 다음에 실행해야 할 메모리에 있는 명령어의 주소 = PC 레지스터가 갖고 있음 연산의 종류를 파악하고 실제로 실행하는 과정 거치면 하나의 명령어 처리됨 다음 명령어도 같은 작업 반복함으로써 전체 프로그램의 실행 완료됨 – 컴퓨터 시스템에 존재하는 각 자원들의 현 상황을 파악할 수 있는 방법 1. 폴링 CPU가 일정한 시간 간격을 두고 각 자원들의 상태를 주기적으로 확인하는 방식 자원들은 폴링 신호를 받은 후, 자신의 상태나 원하는 바를 CPU에게 알려주게 됨 = 자신의 상태를 적어놓을 수 있는 곳에 저장시키고 CPU는 폴링 때 그것을 읽어보는 방식 단점 폴링의 간격을 적절히 정해야 함 각 자원들은 직전 폴링 이후 변화된 자신의 상태를 다음번 폴링 때까지는 알릴 수 없음 아무 일이 없더라도 CPU는 폴링에 일정량의 시간을 들여야 하는 부담 2. 인터럽트 각 자원들이 능동적으로 자신의 상태변화를 CPU에게 알리는 방식 장점 CPU는 따로 시간 들이지 않아도 됨, 자원들은 상황 발생시 즉시 알려 처리받을 수 있음 -> 매우 자주 발생하므로 얼마나 빨리 잘 처리하느냐가 시스템의 성능과 직결됨 여기서 말하는 자원? 하드웨어 자원 = 장치(Devices), 주변장치(Peripherals) 등 이 하드웨어 자원들로부터의 인터럽트 = 하드웨어 인터럽트 CPU 스스로 자신에게 인터럽트를 해야할 때가 있는데, 이건 실행 중인 명령어 때문에 생기는 일 = 소프트웨어 인터럽트 라고 부름 -> 오류를 발생시키는 명령(0으로 나눈다든가, 다른 사용자 주소를 참조할 경우 등) = 트랩(Trap) 이라고 부름 (CPU 스스로 자신에게 인터럽트를 해야 하는 경우) if 오류는 아니지만 입출력을 해야 하는 명령어라면, 시스템 콜을 통해 커널 모드에서 진행해야 함 = 시스템 콜도 소프트웨어 인터럽트라고 함 시스템 콜? 사용자 프로그램에서 발생되는 읽기/쓰기와 같은 디스크나 메모리를 접근(Access) 해야 하는 경우(=커널 프로그램이 할 수 밖에 없는 종류의 일) 필요한 게 시스템 콜 유저모드로 실행 중 커널 모드에서 해야 할 일이 생기면 프로그램은 시스템 콜을 하게 되고, 이후 그 일을 해줄 운영체제 프로그램이 커널 모드에서 실행된 다음, 다시 사용자 프로그램으로 복귀되도록 함 2.1.인터럽트 언제 처리됨? 하드웨어 인터럽트 -> 현재 진행 중인 명령어 실행을 마친 후 처리됨 but 트랩 -> 처리 중인 명령어에 의해 발생 (실행 중에 발생) => 오류의 경우는 바로 프로그램의 종료를 가져오게 될 것 => 입출력과 같은 시스템 콜은 입출력이 완료 되어야 실행 중인 명령어가 완료됨, 그리고 다음 실행문으로 진행될 것 2.2.인터럽트 어떻게 처리됨? < 인터럽트 처리 루틴 > 인터럽트 신호를 CPU에게 보냄 if CPU는 명령어를 실행 중이었다면, 먼저 이 명령어의 실행 완료시키고 인터럽트 신호를 확인 현재 실행 중이던 프로그램이 인터럽트 처리 후, 다시 실행될 때를 위해 현 상태의 정보를 시스템 스택에 저장 이때의 정보 = PSW, PC의 레지스터의 값 등 인터럽트 처리 루틴의 시작 주소를 PC에 넣어 실행 인터럽트 처리 루틴은 먼저 CPU에 있는 레지스터들의 값을 저장한 후 필요한 인터럽트 처리를 시작할 것 처리 루틴이 실행되면서 이 값들이 훼손될 수 있어서 저장한 후 시작하는 것 -> 인터럽트 처리가 끝나면 이전에 저장하였던 레지스터 값들을 다시 재저장(Restore)한 후, PSW와 PC 값들을 원래 자리에 다시 넣어주고 실행 그러면 PC에 들어가 있는 값이, 인터럽트 이전에 실행 중이던 프로그램에서 다음에 실행할 명령어 위치임 그러면 자연스럽게 프로그램의 실행을 이어나갈 수 있게 됨 전체 과정 보충 설명 1) 1. 인터럽트 요청 2. CPU가 처리하던 프로세스 중단 3. 현재 실행 중인 프로세스 상태 PCB에 저장 4. 인터럽트 원인 판별 5. 인터럽트 처리 루틴 (ISR=Interrupt Service Routine ) 처리 6. 상태 복구 7. PCB에서 정보 가져오기 8. 명령어 수행 보충 설명 2) 출처 : https://luv-n-interest.tistory.com/426 1. 프로그램이 OS에게 I/O 컨트롤러에게 정보를 보내라고 인터럽트 (Trap) 왜 I/O 컨트롤러냐면 사건(event)가 발생하면 HW나 SW로부터 발생한 인터럽트에 의해 신호가 보내지는데, 이때 event는 일반적으로 I/O를 뜻함 2-3. 컨트롤러가 해당 요청을 받아서 I/O 받음 4. I/O 끝나면 요청이 끝났기에 인터럽트 (Hardware) 5. CPU가 인터럽트를 받고 핸들러에게 전달 6-7. 해당 루틴이 끝나면 CPU가 다시 작업 보충 설명 3) 출처 : 책 OS? Oh Yes! < 인터럽트 처리 과정에서 레지스터 값들의 변화 > (a) : 인터럽트 직전 상황 (인터럽트 X) 메인 메모리 제어 스택 : 커널에 존재, PC 값과 범용 레지스터 값의 임시 저장소 인터럽트 처리 루틴 : 커널에 존재 사용자 프로그램 : 멀티 프로그램이라 여러 개 존재. 일단 1개로 가정함. 프로그램 카운터(PC) : N+1 → N번째 명령어 실행 중 범용 레지스터 : 실행 과정 중에 보관해야하는 값들, 프로그램 내에서 쓸 수 있는 CPU 내에 있는 레지스터들(abcd 4개로 가정, 실제는 더 많을 수 있음, abcd는 사용자 프로그램이 N까지 실행되어 오면서 사용한 레지스터를 담고 있는 값) 스택 포인터 : T → 제어 스택의 Bottom을 가리키고, 임시 저장 전이므로 저장된 것이 없음 스택 포인트 : 제어 스택의 현 포인트를 말하는 것 인터럽트 처리 실행 중 인트럽트 전의 레지스터 값들을 보존하기 위해 제어 스택에 하나씩 저장한다. 위의 그림에서 범용 레지스터가 4개이므로, T부터 하나씩 4개를 저장하면 T-4위의 T-5를 가리키게 된다. (이는 스택 구현에 따라 다르다) 프로그램 카운터에 있는 N+1 이라는 값도 넣으면, 그 다음 집어 넣을 수 있는 포인트가 T-5이므로 스택 포인터에 T-5를 넣는다. PC에는 서비스 루틴의 시작 번지인 Y를 넣는다. 인터럽트 처리루틴을 돌려야하는 인터럽트가 들어왔으니까 인터럽트 처리루틴을 돌려야하는 시작 주소인 Y를 넣음 인터럽트 처리 루틴이 끝나면 다음 주소를 가리켜야 되니까 Y+L+1이 프로그램 카운터에 들어감 서비스 루틴이 실행된다. (b) : 사용자 프로그램이 다시 실행될 수 있는 환경 (복구 이후) 인터럽트 처리가 완료되면, 스택 포인터 T는 T-5를 가리키고 프로그램 카운터는 Y+L+1(처리 루틴 마지막 명령어의 다음 메모리)를 가리킨다. 이제 인터럽트 처리 이전으로 PC와 스택 포인터, 범용 레지스터를 복구한다. 프로그램 카운터(PC) : Y+L+1 → 저장해두었던 기존 값 N+1 스택 포인터 : T-5 → T (빠진만큼 조정됨) 범용 레지스터 : 처리에 사용된 값들 → 저장해두었던 기존 값 abcd * 커널 = 부팅될 때 시스템에 계속 올라와 있어야 하는 OS 파트 부분 https://luv-n-interest.tistory.com/426 Interrupt, 인터럽트란? [운영체제] 쉽게 말하자면 interrupt는 하드웨어와 OS 간의 상호작용 수단이다. 우선 사건(event)가 발생하면 하드웨어나 소프트웨어로부터 발생한 interrupt에 의해 신호가 보내진다. **event는 일반적으로 I/O를 뜻 luv-n-interest.tistory.com https://velog.io/@adam2/%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8 [OS기초] 인터럽트 제대로 이해하기 주변장치와 입출력 장치는 CPU나 메모리와 달리 인터럽트라는 메커니즘을 통해 관리된다. 그래서 인터럽트, 왜 하는거요? 그 이유는 입출력 연산이 CPU 명령 수행속도보다 현저히 느리기 때문이 velog.io 2.3. 중첩된 인터럽트 처리는 어케함? 중첩되는 인터럽트 : 인터럽트를 처리하고 있는데 또 새로운 인터럽트가 들어오는 상황 1. 순차처리 인터럽트를 처리하는 동안에 발생하는 인터럽트는 현재 처리가 끝난 뒤 바로 처리해주는 방식 차례대로 하나씩 해준다는 의미 여러 개의 인터럽트가 몰려있으면? 제어스택이 올라갔다 내려갔다 2. 중첩처리 중첩이 가능하도록 현재 처리 중인 인터럽트를 잠시 접어두고 또 다른 인터럽트로 실행을 옮길 수 있도록 하는 방식 얘는 제어스택이 또 올라가서 쌓이게 됨 중첩처리를 하면 제어스택의 크기가 더 커지게 됨 -> 인터럽트의 중요도에 따라서 우선순위가 더 높은 경우에는 중첩을, 그렇지 않은 경우(중요도 같거나 더 낮은 경우)에는 순차적으로 구현할 수도 있음 < 참고 > https://velog.io/@mingadinga_1234/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C%EC%9D%98-%EC%8B%9C%EC%A0%90%EC%97%90%EC%84%9C-%EB%B3%B8-%EB%AA%85%EB%A0%B9%EC%96%B4-%EC%B2%98%EB%A6%AC-%EA%B3%BC%EC%A0%95-%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8 https://itnovice1.blogspot.com/2019/08/blog-post_99.html https://velog.io/@wejaan/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-stack-pointer-and-program-counter