[OS] 컴퓨터 시스템 구조 | 저장장치 계층 | 프로그램 실행 과정 | 커널 | 동기식/비동기식 IO | DMA

컴퓨터 시스템 구조

• cpu에는 instruction set에 따라서 N bytes로 구성된 기계어 조합이 구성되어있다. 그래서 매 순간 CPU는 메모리에 어느 주소에 담긴 명령어들을 불러와서 일을 수행하게됨.
• cpu에는 메모리 주소를 가르키는 pc 레지스터에서 가리키는 메모리 위치에 가서 명령어를 불러온다. 불러오자마자 pc + N byte
• cpu는 다음 순서의 명령어를 실행하기 전에 interrupt를 체크한다.
  • ⭐️만약 인터럽트가 들어왔다면 하던 작업을 멈추고 CPU 제어권을 OS에게 주게 됨.
  • ⭐️OS는 인터럽트 상황에 맞게 처리해야 할 커널 함수를 수행한다. 
• 항상 순차적 x. 함수 호출이나 제어 구조가 오면 JMP하게됨.
• mode bit = 0 or 1 
  • 0 : 모든 기계어 집합 실행 가능/운영체제가 cpu를 가지고 있을 때
    
    • IO 디바이스를 접근하는 모든 명령어는 OS한테 요청하는 과정을 반드시 겪어야 함. (mode bit = 0일 때)
      • ✅ I/O 작업은 OS를 통한 커널 작업을 거쳐야만 가능 
      • 사용자 프로그램이 I/O를 요청할 때에는 직접 못하고, 운영체제한테 요청해야함 ➡️ system call
      • * system call : 의도적인 interrupt line 설정. ➡️ software interrupt(trap)
  • 1 : 한정된 기계어(명령어)만 실행 가능
• timer : cpu 제어권을 넘길 때 마다 시간을 할당해줌.

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저장장치 계층 구조

volatility: 휘발성

하늘색이 휘발성(전원 꺼지면 날아감), 검정색이 비휘발성

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프로그램이 어떻게 실행되는가

프로그램은 File System에 실행파일로 저장되어 있다.

프로그램 실행 ➡️ Vurtual Memory에(stack/data/code) ➡️ Physical Memory

프로그램은 파일 시스템에 저장되어, 실행하면 메모리에 로드된다.

Swap area? physical 메모리의 저장공간 부족을 관리하기 위한 저장 공간.

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커널 주소 내용

1. code
   • 커널 코드
     • 시스템콜, 인터럽트 처리 코드
     • 자원 관리
     • 서비스 제공
     • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜
2. data
   • 하드웨어 자원 관리를 위한 자료구조들
   • 프로세스를 관리하기 위한 자료구조들(Process Control Block: 하나의 프로그램을 관리하기 위한 자료구조
3. stack
   • 함수를 호출/리턴할 때 사용

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동기식 입출력과 비동기식 입출력

1. Synchronous

• Synchronous의 뜻 : 동작 등을 서로 시간 별로 맞추는 것
• I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에 사용자 프로그램이 다음 일을 할 수 있음.

2. Asynchronous

asynchronous는 Interrupt-based다. 

즉,asynchro는 I/O 하라고 던져놓고, 바로 cpu 가져와서 다른 일을 수행한다. (= concerrently)

• syn/asyn 모두 I/O 작업이 끝났을 때는 인터럽트를 통해서 알려준다. 디바이스 컨트롤러는 자기만의 프로세서를 가지고 있고, I/O 버스를 통해 인터럽트 신호를 보내어, cpu와 I/O 작업을 수행한다.
• synch와 asynch 차이는 해야할 일에 따라 다르다. I/O에서 가져온 데이터를 반드시 사용해야 하는 경우는 synch, I/O에서 가져온 데이터와 별상관 없는 일이면 asynch.

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Direct Memory Access

유저가 직접적으로 메모리에 접근할 수 있는 장치(hw 중 메모리에 접근할 수 있는 장치는 CPU랑 DMA가 유일하다.)

I/O 장치에서 계속 인터럽트를 걸면 문제가 생기니까 CPU의 중재 없이 디바이스의 버퍼에 저장된 내용을 메모리에 block 단위로 전송하기 위한 장치이다. 이때 전송은 device controller와 DMA를 거쳐서 진행된다.

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Reference 

이화여자대학교 반효경 교수님의 KMOC 강의

한국항공대학교 송동호 교수님의 컴퓨터 운영체제 및 실습

운영체제와 정보기술의 원리 책