2-2. System Structure & Program Execution 2

반효경 교수님의 2014-1 운영체제 강의를 듣고 정리한 글입니다.

동기식 입출력과 비동기식 입출력

Synchronous I/O

I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
구현방법 1
- I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
- 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음
구현방법 2 ✔️
- I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음
- I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
- 다른 프로그램에게 CPU를 줌

Asynchronous I/O

I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
→ write의 경우 일반적으로 비동기식이 자연스러움

*두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌

서로 다른 입출력 명령어

I/O를 수행하는 special instruction에 의한 것 (좌)
Memory Mapped I/O에 의한 것 (우)

저장장치 계층 구조

휘발성 매체는 전원이 나가면 데이터가 사라짐
비휘발성 매체는 전원이 나가도 데이터는 사라지지 않음
Primary: CPU가 직접 접근할 수 있는 것(byte 단위로 접근이 가능해야 함 → DRAM)
Secondary: CPU가 직접 접근할 수 없는 것(sector 단위로 접근 가능함)

Caching

CPU와 메인 메모리의 속도 차이를 완충하기 위해 캐시 메모리를 둠
용량이 작아 모든 걸 담아 둘 수는 없음
캐싱은 재사용을 목적으로 함 → 두 번째 요청부터 이미 읽어온 데이터를 사용

프로그램의 실행(메모리 load)

프로그램은 file system에 실행 파일 형태로 저장되어있는데, 이를 실행하면 메모리에 올라감 (그 중간에 virtual memory를 거침 → virtual memory는 프로그램만의 독자적인 메모리 주소 공간에 형성된 단계로, code, data, stack으로 구성) 이때, 물리적 메모리에 모든걸 다 올리게 되면 메모리를 낭비하게 되므로 필요한 부분만 physical memory에 올리게 됨(사용이 끝나면 physical memory에서 쫓아냄 → disk의 Swap area)

code: CPU에서 실행할 기계어 코드 저장
data: 변수 저장
stack: 함수를 호출하거나 리턴할 때 데이터를 쌓아뒀다가 꺼냄

*Swap area와 File system은 디스크지만 다른 용도로 사용됨. File system은 전원이 나가도 저장되어 있어야 하지만, Swap area는 전원이 나가면 의미 없는 데이터이므로, 메모리 연장 공간의 용도로 사용됨.

커널 주소 공간의 내용

code: 인터럽트에서 무슨 일을 처리해야하는지를 저장함
data: 운영체제가 사용하는 자료구조
- PCB(Process Control Block): 프로세스를 관리하는 자료구조로, 프로세스마다 하나씩 존재함
stack: 함수를 호출하거나 리턴할 때 stack 영역을 이용하는데, 어떤 프로세스가 커널의 코드를 실행 중인가에 따라 프로세스마다 커널 스택을 따로 가짐

함수

사용자 정의 함수: 자신의 프로그램에서 정의한 함수
라이브러리 함수
- 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
- 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함됨
커널 함수
- 운영체제 프로그램의 함수
- 커널 함수의 호출 = 시스템 콜
  - 주소 점프를 할 수 없어 인터럽트 라인 세팅을 통해 CPU에 제어권을 넘겨야 함

*사용자 정의 함수와 라이브러리 함수는 프로세스의 주소 공간에 있고, 커널 함수는 커널 주소 공간에 있음

프로그램의 실행

user mode: 프로그램이 직접 CPU를 잡고 있음
kernel mode: 시스템 콜 시 커널 모드로 넘어감

[사진 출처] https://hyojaedev.tistory.com/29