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What Operating System Do

컴퓨터 시스템에서 운영체제가 수행하는 역할에 대해서부터 살펴보자

컴퓨터 시스템은 대개 네 가지 구성요소 하드웨어, 운영체제, 응용프로그램 및 사용자로 구분할 수 있음

하드웨어는 중앙처리장치(CPU), 메모리 및 입출력(I/O) 로 구성되어 계산용 자원을 제공

응용 프로그램은 사용자의 계산문제를 해결하기 위해 자원이 어떻게 사용될지를 정의

운영체제는 응용프로그램간의 하드웨어 사용을 조정하고 제어한다.

또한 컴퓨터시스템은 하드웨어, 소프트웨어 및 데이터로 구성되어있다고 볼 수 있음

운영체제는 이들 자원을 적절하게 사용할 수 있는 방법을 제공

User view 컴퓨터에 대한 사용자 관점은 사용되는 인터페이스에 따라 달라짐

여러 시스템은 한 사용자가 자원을 독점하도록 설계, 목표는 사용자가 수행하는 작업을 최대화 하는 것

-> 이러한 경우 운영체제는 대부분 "사용의 용이성"을 위해 설계되고 성능에 신경 (하드웨어와 소프트웨어 자원이 어떻게 공유되는지 "자원의 이용" 에는 전혀 신경쓰지 않음)

일부 컴퓨터는 사용자 관점이 존재하지 않거나 매우 작은 예도 있음 (ex 가전제품, 자동차 내 내장형 컴퓨터 등)

System view

컴퓨터의 관점에서 운영체제는 하드웨어와 가장 밀접하게 연관됨 -> 따라서 우리는 운영체제를 "자원 할당자(resource allocator)"로 볼 수 있음

문제를 해결하기 위해 많은 자원이 있는데, 운영체제는 이들 자원의 관리자로서 동작.

자원에 대해서 서로 상충할 수 있는 많은 요청이 있으므로, 컴퓨터 시스템을 효율적이고 공정하게 운영할 수 있도록 어느 자원을 할당할지 경정해야 함

또한 다소 다른 관점은 여러 입출력 장치와 사용자 프로그램을 제어할 필요성을 강조. 운영체제는 "제어 프로그램(control program)"이다.

Define Operating System

운영체제의 다양성을 설명하기 위해 컴퓨터의 역사를 잠시 살펴보자

1960년대 "무어의 법칙"이 집적회로의 트랜지스터 수가 18개월마다 배가할 것이라고 예측 실제로 이 법칙은 지켜져 왔고, 컴퓨터는 기능이 확대되고 크기가 작아지고, 용도가 다양해지고 다양한 운영체제가 등장함

사실 운영체제에 대한 적합한 정의는 없음

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

기본 목표는 프로그램 실행, 사용자 문제를 쉽게 해결할 수 있게 하는 것.

운영체제에 포함되는 요소에도 보편적인 정의는 없음

왜 운영체제를 공부하는가?

단순하게 거의 모든 코드가 운영체제 위에서 실행되므로 운영체제 작동 방식에 대한 지식은 적절하고 효율적이며 효과적이며 안전한 프로그래밍에 중요하기 때문

운영체제의 기본 지식, 컴퓨터 하드웨어 구동 방식 및 응용 프로그램에 제공하는 내용을 이해하는 것은 중요함

Computer system Organization

컴퓨터 시스템의 구성은 하나 이상의 cpu와 구성요소와 공유 메모리 사이의 액세스를 제공하는 공통 버스를 통해 연결된 여러 장치 컨트롤러로 구성됨

일반적으로 운영체제에는 각 장치 컨트롤러마다 "장치 드라이버"가 있음

장치 컨트롤러의 작동을 잘 알고 있고 나머지 운영체제에 장치에 대한 일관된 인터페이스를 제공함

cpu와 장치 컨트롤러는 병렬로 실행되어 메모리 사이클을 내놓고 경쟁함

Interrupts

컨트롤러는 장치 드라이버에게 작업을 완료했다는 사실을 "인터럽트"를 통해 알린다

하드웨어는 어느 순간이든 시스템 버스를 통해 CPU에 신호를 보내 인터럽트를 발생시킬 수 있음

cpu가 인터럽트 되면, cpu가 하던 일을 중단하고 즉시 고정된 위치로 실행을 옮김. 이러한 고정된 위치는 일반적으로 인터럽트를 위한 서비스 루틴이 위치한 시작 주소를 가지고 있음 이후 인터럽트 서비스 루틴 실행 인터럽트 서비스 루틴의 실행이 완료되면 CPU는 인터럽트 되었던 연산을 재개함.

각 컴퓨터 설계는 자신의 인터럽트 메커니즘을 가지고 있으며, 몇 가지 기능은 공통적임 인터럽트는 적절한 서비스 루틴으로 제어를 전달함. 이러한 전달을 관리하는 직선적인 방법은 인터럽트 정보를 조사하는 일반적인 루틴을 호출하는 방법임. 이 루틴은 이어 인터럽트 고유의 핸들러를 호출함. 그러나 인터럽트는 매우 빈번하게 발생하기 때문에 빠르게 처리 되어야 함 필요한 속도를 제공하기 위해 인터럽트 루틴에 대한 포인터들의 테이블을 대신 이용할 수 있음 이 경우 중간 루틴을 둘 필요 없이, 테이블을 통하여 간접적으로 인터럽트 루틴이 호출될 수 있음.

일반적으로 포인터들의 테이블은 하위 메모리에 저장됨 이들 위치에는 여러 장치에 대한 인터럽트 서비스 루틴의 주소가 들어있음. 인터럽트가 요청되면, 인터럽트를 유발한 장치를 위한 인터럽트 서비스 루틴의 주소를 제공하기 위해 이 주소의 배열 즉, "인터럽트 벡터" 가 인터럽트 요청과 함께 주어진 고유의 유일한 장치 번호로 색인됨

인터럽트 구조는 또한 인터럽트된 모든 정보를 저장해야 인터럽트를 처리한 후 이 정보를 복원할 수 있음.

만약 인터럽트 루틴이 처리기의 상태를 변경할 필요가 있다면, 인터럽트 루틴은 반드시 명시적으로 현재의 상태를 저장해야하며, 복귀하기 전에 상태를 복원해야 함.

인터럽트를 서비스한 후, 저장되어있던 복귀 주소를 프로그램 카운터에 적재하고, 인터럽트에 의해 중단되었던 연산이 인터럽트가 발생되지 않았던 것처럼 다시 시작됨.

Implementation

CPU 하드웨어에는 "인터럽트 요청 라인" 이라는 선이 있는데, 이는 하나의 명령어의 실행을 완료할 때마다 CPU가 이 선을 감지함. CPU가 컨트롤러가 인터럽트 요청 라인에 신호를 보낸 것을 감지하면, 인터럽트 번호를 읽고 이 번호를 인터럽트 벡터의 인덱스로 사용하여 "인터럽트 핸들러 루틴"으로 점프함 그런 다음 해당 인덱스와 관련된 주소에서 실행을 시작.

인터럽트 처리기는 작업 중에 변경될 상태를 저장하고, 인터럽트 원인을 확인하고, 필요한 처리를 수행하고, 상태 복원을 수행하고, return from interrupt 명령어를 실행하여 CPU를 인터럽트 전 실행상태로 되돌린다. 장치 컨트롤러가 인터럽트 요청라인에 신호를 선언하여 인터럽트를 발생(raise) 시키고 CPU는 인터럽트를 포착(catch)하여 인터럽트 핸들러로 디스패치(dispatch)하고 핸들러는 장치를 서비스하여 인터럽트를 지운다(clear).

이 기법은 장치 컨트롤러가 서비스할 준비가 될 때와 같은 비동기 이벤트에 CPU가 대응할 수 있게 한다. (최신 운영체제는 더욱 정교한 인터럽트 처리 기능이 필요)

1. 중요한 처리 중에 인터럽트 처리를 연기할 수 있어야 함.
2. 장치의 적절한 인터럽트 핸들러로 효율적으로 디스패치 할 방법이 필요함
3. 운영체제가 우선순위가 높은 인터럽트와 우선순위가 낮은 인터럽트를 구분하고 적절한 긴급도로 대응할 수 있도록 다단계 인터럽트가 필요함.

최신 하드웨어에서 위 3가지 기능은 CPU 및 "인터럽트 컨트롤러 하드웨어"에 의해 제공됨

대부분의 CPU에는 2개의 인터럽트 요청라인이 있음.

하나는 복구할 수 없는 메모리 오류와 같은 이벤트를 위해 예약된 "마스크 불가능 인터럽트 (nonmaskable interrupt)" 두 번째 인터럽트 라인은 "마스킹 가능(maskable)" 이다.

벡터 방식 인터럽트 기법의 목적은 서비스가 필요한 장치를 결정하기 위해 하나의 인터럽트 핸들러가 가능한 모든 인터럽트 소스를 검색할 필요를 줄이기 위한 것이다.

그러나 실제로 컴퓨터에는 인터럽트 벡터의 주소 개수보다 많은 장치가 있다.

이 문제를 해결하는 방법은 "인터럽트 체인"을 사용하는 것이다.

인터럽트 벡터의 각 원소는 인터럽트 핸들러 리스트의 헤드를 가리킨다. 인터럽드가 발생하면 요청을 처리할 수 있는 핸들러가 발견될 대까지 상용하는 리스트의 핸들러가 하나씩 호출된다.

이러한 구조는 큰 크기의 인터럽트 테이블의 오버헤드와 하나의 인터럽트 핸들러로 디스패치 하는 비효율성의 절충안이다.

인터럽트 기법은 또한 "인터럽트 우선순위 레벨"을 구현함. 이러한 레벨을 통해 CPU는 모든 인터럽트를 마스킹하지 않고도 우선순위가 낮은 인터럽트 처리를 연기할 수 있고 우선순위가 높은 인터럽트가 우선순위가 낮은 인터럽트의 실행을 선점할 수 있다.

요약하면, 인터럽트는 최신 운영체제에서 비동기 이벤트를 처리하기 위해 사용됨. 장치 컨트롤러 및 하드웨어 오류로 인해 인터럽트 발생. 가장 긴급한 작업을 먼저 수행하기 위해 인터럽트 우선순위 시스템을 사용함. 가장 민감한 처리에 빈번하게 사용되므로 시스템 성능을 좋게 하려면 효율적인 인터럽트 처리가 필요함.