1. Computer System Overview (1)

운영 체제를 배우기 위해서는 먼저 컴퓨터 시스템이 동작하는 방식을 이해해야 한다.

컴퓨터 시스템의 기본 Components들

• Processor(CPU)
• Main Memory

    => 휘발성 메모리이지만 빠르기 때문에 주 기억장치로 사용된다.

• System bus 

    => CPU, 메모리, I/O 모듈들이 데이터를 주고받는 통로 역할을 한다.

• I/O modules

    => 입출력 장치

 

 

Register (레지스터)

프로세서(CPU)안에는 레지스터라는 매우 작고 빠른 저장장치가 있다.

레지스터의 종류는 크게 3가지로 나뉜다.

1. Register for 'data' I/O ( 데이터 입출력을 위한 레지스터 )

Memory address register(MAR)

: CPU가 메인 메모리에서 데이터를 읽어올 때 어느 메모리에 있는 데이터를 읽어야 하는지를 나타내는 주소값을 저장하는 레지스터. 반대로 데이터를 메모리에 저장할 때에도 저장할 메모리 공간의 주소를 저장하기도 한다.

Memory buffer register(MBR)

: 메모리에서 읽어온 데이터 또는 메모리에 저장할 데이터를 CPU안에서 저장을 해야한다. 그러기 위해서는 CPU내에 데이터를 저장할 저장공간이 필요한데 그걸 우리는 MBR이라고 한다.

Load시 

- 데이터를 읽어올 주소를 MAR에 담아서 LOAD명령을 실행하면 해당 주소에 접근하여 데이터를 읽어온 후 그 데이터를 MBR에 저장한다.

Store시

- 데이터를 저장할 주소를 MAR에 담고, 저장할 데이터는 MBR에 담아서 STORE명령을 실행하면 해당 주소에 접근하여 MBR에 있는 데이터를 저장한다.

I/O address register, I/O buffer register

: 메모리가 아닌 I/O 디바이스에 접근할 때 MAR, MBR과 같은 역할을 하는 레지스터들이다.

2. Control and Status registers ( CPU를 컨트롤하고 상태를 저장하는 레지스터 )

CPU가 어떻게 I/O를 할까?
폰노에만에 따르면 CPU는 메모리 address만 알고 I/O에 관해서는 전혀 모른다고 했다.
CPU는 사실 메모리를 거쳐서 I/O를 한다.
모든 I/O 디바이스는 그 디바이스를 제어하는 컨트롤러가 있는데, 컨트롤러 안에는 버퍼 메모리가 있다. 그 버퍼 메모리를 메인 메모리의 특정 주소 영역에 매핑을 해서, CPU가 매핑된 메모리에 LOAD하거나 STORE를 하면 I/O 디바이스의 버퍼와 매핑이 되어 해당 I/O 디바이스에 대해 LOAD와 STORE하는 것으로 변환되어 동작한다.

CPU는 그냥 LOAD, STORE를 실행했을 뿐인데, I/O를 하고 있는 것이다.

CPU의 동작을 제어한다는 건?

CPU가 명령어를 수행하려면 명령어를 가져와야 한다. 그런데 명령어는 CPU 안에 들어있지 않다.

명령어는 프로그램 코드에 있고, 그 프로그램 코드는 프로세스 형태로 메모리에 올라와 있다. 그 메모리에 올라와있는 코드(instruction)를 CPU로 가져와서 그 instruction을 CPU안에서 실행하는 것이다.
CPU가 프로그램을 실행한다는 것은 프로그램이 저장되어있는 메모리 영역에서 instruction 하나를 가져와서 실행하고 또 다음 instruction을 가져와서 실행하고 이것을 반복하는 것이 CPU가 프로그램을 실행하는 방식이다.

• Program Counter (PC)

CPU가 다음엔 어느 명령어를 수행해야 하는지를 기억하고 있어야 한다.

이때 CPU가 다음번에 가져와야 할 명령어가 저장되어 있는 주소를 저장하는 레지스터가 PC이다.
명령어를 가져오고 나면 PC에 저장된 주소를 +1 해서 다음엔 그 다음 명령어를 가져오도록 해야 한다.

• Instruction Register (IR)

: PC가 가리키는 주소로 가서 instruction을 하나 가져오는데 가져온 instruction을 저장하는 레지스터가 IR이다.
CPU는 IR에 저장된 instrruction을 수행하게 된다.

• Program Status Word (PSW)

Condition Codes

: 가져온 instruction을 수행하고 수행하고 난 결과의 상태를 저장하는 레지스터이다.
=> 계산 결과를 저장하는 게 아님!

만약 - (빼기)를 수행했다고 하면, 결과로 0이 나왔는지, 양수가 나왔는지, 음수가 나왔는지 등을 저장함.
=>  CPU 내에서 오류가 발생했을 때 오류를 빠르게 찾기 위해서 

컴퓨터가 비교 연산을 수행할 때에도 사용됨. 컴퓨터는 비교 연산을 - 연산을 사용해서 하게 되는데, -(빼기)를 수행한 결과 음수면 a > b, 양수면 a < b, 0이면 a = b라고 판단한다.
이때 - 연산을 수행한 후에 Condition code를 보고 결과를 판단한다.

Interrupt enable/disable

: Interrupt를 처리할 수 있는지 없는지 표시하는 레지스터

Supervisor/User mode

3. User-visible registers ( 프로그머들이 접근하여 사용가능한 레지스터 )

어셈블리어를 사용해서 프로그래머가 레지스터에 직접 접근할 수 있다.
=> 왜 이런 짓을 하느냐?
high-level language로 코드를 작성하면 컴파일러가 자동적으로 기계어로 변환을 해주는데, 사람이 직접 기계어로 변환하는 것보다 최적화 부분에서 성능이 떨어질 수 있다.

자주 실행되는 부분의 코드는 사람이 직접 어셈블리어로 코딩을 해서 최적화하는 경우가 있는데, 그럴 때 사용한다.

 

Instruction Execution

: CPU가 메모리에 있는 프로그램 코드를 수행하는 과정

 

크게 2단계로 볼 수 있다.

1. Processor가 메모리에서 instruction을 읽어온다. (Fetch)

이때 PC가 가리키는 주소에서 Instruction을 하나 읽어온다.

읽어온 후에 PC는 다음에 수행할 명령을 가리켜야 한다.

읽어온 Instruction은 Instruction Register에 저장한다.

2. 읽어온 Instruction을 수행한다 ( IR에 들어있는 Instruction을 수행한다. )

이 2단계를 모든 명령을 수행할 때까지 반복한다.

 

Instruction은 어떤 형태로 구성되어 있을까?

Instruction은 Opcode와 Address 부분으로 나뉜다.

Opcode: 명령어의 종류를 나타내기 위해 사용되는 비트.

0001(1) = Memory에 있는 데이터를 AC로 LOAD해라

0010(2) = AC에 있는 데이터를 Memory에 STORE해라

0101(5) = Memory에 있는 데이터를 AC에 ADD해라

Address: Instruction이 수행되어야 할 Target이 저장된 위치를 가리키는 주소.

만약 Opcode가 "덧셈" 이라고 하면, Address에는 덧셈을 할 데이터가 들어있는 주소가 저장되어 있다.

 

Instruction의 수행 과정의 예시를 살펴보자.

 

Interrupt & Interrupt handler

CPU가 프로그램을 수행하고 있는 와중에 예기치 않게 I/O 디바이스에서 명령이 들어올 수 있다.

만약 CPU가 동영상을 실행하여 보여주는 명령어(코드)를 수행 중인데, 사용자가 마우스를 움직인다면? 키보드로 키를 입력한다면?
현재 하고 있는 일이 있다고 해서 이러한 입력을 무시할 수는 없다.

어떤 이벤트가 발생했을 때 CPU가 하던 일을 멈추고 이벤트를 처리한 후에 원래 하던 명령을 다시 수행하도록 하는 매커니즘이 Interrupt 라는 개념이다.

이렇게 Interrupt는 자발적으로 발생되는 데이터를 처리하기 위해서 사용된다. 자발적으로 발생되는 데이터는 대표적으로 마우스, 키보드로 입력되는 데이터이다. OS 입장에서는 마우스, 키보드로 들어오는 입력은 언제 들어올지 모르는 자발적 데이터이다. Event가 발생했음을 Interrupt로 감지하고 Interrupt handler를 통해 입력을 처리한다.

 

자발적인 데이터를 처리하 것 외에도 Interrupt가 유용하게 사용되고 있다.

I/O 장치는 CPU보다 훨씬 훨씬 더 느리다고 했다.

CPU가 명령을 수행하고 있는데, 명령 중에 "데이터를 파일에 저장해줘" 라는 명령이 들어왔다. CPU는 이 명령을 수행해야 하는데 I/O 디바이스가 매우 느리기 때문에 디스크에 가서 데이터를 저장하는 동안 CPU는 아무것도 못하고 기다리기만 해야한다. 이건 비효율적이다. 시스템에서 CPU가 노는 것은 허용할 수 없다.
이때 Interrupt를 사용하여, CPU는 I/O 디바이스에 저장하라는 명령을 내려놓은 뒤에 CPU는 마냥 기다리는 게 아니라 다른 일을 계속하고 있는다. 그리고 I/O 장치는 저장을 끝내면 Interrupt를 발생시켜서 CPU에게 I/O가 끝났음을 알려준다.

이렇게 하면 CPU가 놀지 않고 계속 일을 할 수 있게 된다.

Interrupt의 역할
1. CPU가 놀지않게 만드는 것
2. I/O 장치가 만들어내는 Event를 실시간 처리

Interrupt Cycle

Interrupts Disabled

: 만약 지금 CPU가 하고 있는 일이 매우 매우 중요한 일이라서 절대 중단되어서는 안 된다면, Interrupt가 발생했다고 하더라도 하던 일을 계속 진행해야 한다. 그때는 Execute가 끝나도 Interrupt를 체크하지 않고 바로 Fetch로 다시 돌아간다.

Interrupt를 받아도 되는지 안 되는지는 어떻게 체크할까?
아까 레지스터 중에 Interrupt Enable, Disable 여부를 저장하는 레지스터가 있었다. 이 레지스터에 저장된 값을 보고 Interrupt를 체크할지 말지 결정한다. 

 

Interrupt가 발생하면 Memory와 Register에는 어떤 변화가 일어날까

Interrupt handler를 통해 Interrupt를 처리하고 나면 다시 원래 수행중이던 프로그램을 수행할 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 Interrupt를 처리하기 전에 수행중이던 프로그램의 정보를 메모리의 Stack 부분에에 저장해둔다.

PC 값을 저장하고, 레지스터에 저장되어 있던 값들을 저장하고 Stack Top을 가리키는 Pointer 정보를 저장한다.

그리고 PC 값을 Interrupt Handler 코드가 있는 y로 바꾼 후 핸들러 코드를 수행한다.

핸들러를 통해 Interrupt를 처리하고 나면 원래 수행 중이던 프로그램을 다시 수행하기 위해 아까 저장해두었던 정보를 이용해 원래 상태로 복구시켜야 한다.

PC값을 아까 저장해둔 PC값으로 변경하고 레지스터에도 아까 저장해둔 레지스터 값들을 다시 불러오고, Stack Top도 아까의 Stack Top을 그대로 복구한다.

그러면 이상없이 Interrupt가 발생하기 전에 수행하던대로 다시 수행할 수 있게 된다.

 

만약 Interrupt가 없었다면 어떤 일이 벌어질까?

CPU 입장에서 일의 순서를 살펴보면 1 -> 4 -> Processor Wait -> 5 -> 2 -> 3

WRITE와 같은 I/O가 발생하면 CPU는 I/O장치가 일을 마칠 때까지 아무것도 하지 못하는 채로 기다려야 하는 비효율적인 상황이 발생한다.

 

Interrupt를 이용하면?

Interrupt를 이용하면 I/O 장치가 일을 하는 동안 CPU는 원래의 코드를 수행하고 있는다.

그러다 I/O 장치가 일을 마쳤다고 Interrupt를 보내면 다시 Interrupt handler 코드의 남은 부분을 수행한다.

이렇게 되면 CPU가 놀지 않고 일을 할 수 있게 되므로 훨씬 효율적이다.

그런데 이 방법에도 문제가 있다.

아까는 I/O가 나름 빨리 끝나서 새로운 I/O가 발생하기 전에 Interrupt가 발생했는데

I/O가 엄청 오래 걸려서, I/O가 끝나기 전에 두 번째 I/O가 발생한다면?

그러면 우리는 또 I/O 장치에게 명령을 해두고 또 다른 일을 수행하면 되지 않냐? 라는 생각을 할 수 있다.

이때 I/O 장치는 아직도 일을 하고 있는데, 또 다시 명령을 추가로 준다면?
명령의 순서가 섞여서 잘못된 결과를 초래할 수 있다.
아니 그러면 명령을 순서대로 처리하도록 하면 되지 않냐??
I/O 장치는 매우 느리기 때문에 속도를 조금이라도 올리기 위해 최적화 기술이 들어가 있다. 디스크의 헤드는 물리적으로 움직이기 때문에 속도가 매우 느리다.그렇기 때문에 명령의 순서를 바꿔서 디스크의 헤드가 최대한 덜 움직이도록 하는 기술이 적용되어 있다. (Disk Scheduling)

=> 어쩔 수 없이 CPU는 I/O가 끝날 때까지 기다려야 함.

 

Interrupt가 만병통치약은 아니었다!
그럼 어쩔 수 없이 CPU가 놀게 두어야 할까? 프로그래머 입장에서 CPU가 노는 것은 죄악이다.

그래서 또 다른 대안을 생각해낸 것이 "멀티 프로그래밍"이다.
CPU가 하나의 프로그램이 아닌 여러 프로그램을 동시에 수행하도록 해서,

만약 Interrupt를 사용해도 어쩔 수 없이 기다려야 하는 상황이 발생하면 현재 실행 중인 프로그램과 아무 상관없는 다른 프로그램을 실행하도록 하면 된다.

 

long I/O wait가 발생했을 때, 어쩔 수 없이 CPU가 기다려야 하는 상황이 발생하면
CPU가 전혀 관련이 없는 제3의 프로그램을 수행하도록 하는 것이 Multiprogramming.

메모리에 여러 개의 프로그래밍이 동시에 올라와 있는 상태가 "멀티 프로그래밍"
메모리에 올라온 여러 프로그램들이 실제 CPU를 번갈아 쓰며 돌아가고 있으면 "멀티 태스크"

멀티 프로그래밍 != 멀티 태스크. 그러나 멀티 태스크가 되기 위해서는 반드시 멀티 프로그래밍이 되어 있어야 함.
그런데 멀티 프로그래밍만 하는 경우는 실제로 없다. 굳이 실행하지도 않는 프로그램을 메모리에 올려놓을 필요가 없음.

 

*모든 내용은 한양대학교 강수용 교수님의 강의 내용을 참고하여 작성되었습니다.