[운영체제] 2장 컴퓨터 시스템과 운영체제 (2)

Posted Mar 24, 2024

By Keem

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3. 커널과 시스템 호출

3.1 응용프로그램의 자원 접근문제

응용 프로그램이 자원에 대한 직접적인 접근 권한을 가지게 된다면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

응용프로그램이 다른 응용프로그램이 적재된 메모리를 덮어써버리거나, 다른 응용프로그램이 생성 한 파일을 삭제하거나 하는 등 다른 응용프로그램의 실행을 망칠 수 있다.
• 응용프로그램이 운영체제 커널이 적재된 메모리를 액세스하여 커널의 주요 데이터를 훼손하는 등 컴퓨터 시스템이 복구 불가능한 심각한 문제에 빠질 수 있다.

이를 방지하기 위해

응용 프로그램과 운영체제 커널의 영역을 확실히 구분하기 위해 (1) 사용자 공간과 커널 공간으로 나눈다.
응용 프로그램이 커널 공간을 함부로 접근할 수 없도록 하기 위해 (2) 사용자 모드와 커널 모드로 나눈다.

3.2 사용자 공간과 커널 공간

CPU로 액세스할 수 있는 전체 주소 공간을 사용자 공간(user space)과 커널 공 간(kernel space)으로 분리하여 운영한다

사용자 주소는 0번부터이다. (가상 주소 - 컴파일러에 의해 결정)

※ Windows 운영체제는 크기가 크고 제공하는 기능 등이 많아 이를 위한 커널 공간이 크다. 커널 공간이 작으면 SW를 위한 공간이 커짐

사용자 공간 - 응용 프로그램을 위한 영역
커널 공간 - 커널 코드, 데이터, 커널 함수 실행을 위한 스택 영역, 디바이스 드라이버 등이 탑재한 영역

그러면 다음과 같이 공간을 나누어 둔 이유는 무엇일까?

바로 응용프로그램으로부터 커널 코드와 데이터를 훔쳐보거나 훼손하는 것을 방지하기 위해서이다.

만약 커널이 개방되어 있다면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

바이러스 침범, 시스템 훼손, 시스템 중단 등 심각한 문제가 발생할 수 있다.

※ 응용 프로그램이 커널 영역 침범시 예외 발생시키고 종료된다.

3.2.3 사용자 공간과 커널 공간은 가상 주소 공간이다.

응용프로그램이 사용하는 이 번지들은 운영체제가 응용프로그램에게 만들어놓은 가상 주소이다.

이를 보면 두 가지 의문점이 생긴다.

응용 프로그램이 사용하는 공간간의 충돌이 발생하지 않는지?
컴퓨터에 장착된 RAM의 용량이 4GB보다 작으면 어떻게 되는지?

공간의 충돌 문제

운영체제는 각 응용프로그램의 가상 주소 공간을 물리 메모리 공간으로 매핑시켜 가상 주소 공간의 충돌을 해결한다. 운영체제는 각 응용프로그램(프로세스)마다 커널 공간에 매핑 테이블을 두고 사용자 공간을 물리 메모리(RAM)의 공간으로 매핑한다

RAM 용량 부족 문제

메모리의 용량을 확장하기 위한 가상 메모리 (보조기억장치를) 주기억장치처럼 사용 이후 9장(가상 메모리 기법이라고 부름)에서 설명

※ 컴퓨터 구조 가상 기억장치 페이징 기법 참조 (매핑함수, 페이징 기법 등)

Q. 매핑 테이블 공유하지 않는 이유 컴파일러를 단순화하기 위함?

No. 각 프로세스마다 변수와 함수가 있기 때문에 구별하기 위함?

3.3 CPU의 사용자 모드와 커널 모드

CPU는 사용자 모드와 커널 모드 중 한 모드에서 실행된다.

응용 프로그램 - 사용자 모드 (Mode Bit = 1)
커널 코드 - 커널 모드 (Mode Bit = 0)

※시스템 호출 시 커널 모드로 전환되며 CPU내의 모드 레지스터에 설정된다.

모드	사용자 모드	커널 모드
CPU의 메모리 액세스 범위	사용자 공간에 국한 / 커널 공간 액세스 불가	커널 공간을 포함한 모든 메모리 공간
CPU의 하드웨어 액세스 여부	불가능	가능
CPU가 처리 가능한 명령	특권 명령을 제외한 모든 CPU 명령	특권 명령을 포함한 모든 CPU 명령
오류 발생 시 처리	응용 프로그램 실행 종료 -> 안전	심각한 오류 -> 시스템 종료

3.3.1 사용자 모드

사용자 모드에서 커널 공간을 액세스하려고 하면 예외를 발생시키고 프로세스를 종료된다.
사용자 모드에서는 특권 명령(privileged instruction)을 실행할 수 없다.
※ 특권 명령은 입출력 장치나 타이머, 인터럽트 처리, 시스템 중단 등 특별한 목적으로 설계된 CPU 기계 명령이다.

3.3.2 커널 모드 (특권 모드)

커널 모드에서는 모든 메모리 공간을 액세스할 수 있다.
커널 모드에서는 특권 명령을 실행할 수 있다.

3.3.3 사용자 모드에서 커널 모드로 전환

다음 두 가지는 모드가 전환되는 경우이다.

시스템 호출 (System Call)
인터럽트 (Interrupt)

시스템 호출 - 응용 프로그램이 하드웨어를 조작하는 유일한 방법

인터럽트 - 하드웨어가 커널에 타이머 완료, 인터럽트 요청 등을 알리는 방법

3.3.4 특권 명령

I/O 명령
하드웨어들을 제어하거나 입출력 장치나 저장장치를 제어하고 읽기 쓰기에 사용되는 CPU 기계 명령

I/O 명령들은 하드웨어 장치를 직접 접근하므로 커널 모드에서 실행되어야 하는 특권 명령이다

Halt 명령

CPU의 작동을 중지시키고 CPU를 유휴(idle) 상태로 만든다.

CPU는 아무 인터럽트나 받을 때까지 아무 명령도 실행하지 않기 때문에 전력 소모를 줄일 수 있다

인터럽트 플래그켜고 끄기

인터럽트가 발생할 때 처리할 지 아니면 무시할 지를 나타내는 비트를 가지 고 있는데 이를 인터럽트 플래그(interr니pt flag)라고 부른다.

타이머 설정
타이머를 설정하는 명령은 특권 명령이
컨텍스트스위칭
CPU의 레지스터들을 커널 영역에 저장하고, 저장된 컨텍스트 정보를 CPU 레지스터에 복귀시키는 컨텍스트 스위칭 명령은 커널 모드에서 실행되는 특권 명령이다.

※ IDLE 프로세스 내 HALT 명령이 존재하며 HALT 명령을 실행하면 CPU가 프리징된다.

3.3.5 다양한 이슈

사용자 모드와 커널 모드는 CPU에 의해 구현되는가 커널에 의해 구현되는가?
CPU에 의해 구현되어 운영체제가 활용하는 기능

※ CPU는 모드 레지스터를 가짐

운영체제가 사용자 모드와 커널 모드로 나누어 작동시키는 이유는?
커널 코드와 데이터에 대한 보안과 보호를 위해
응용프로그램이 커널 기능을 어떻게 활용할 수 있는가?
시스템 호출을 통해 커널 코드 호출한다.

3.4 커널의 실체

커널은 부팅 시에 커널 공간에 적재되는 함수들과 데이터들의 집합

※ 프로세스 A가 시스템 호출을 통해 커널 함수가 실행됐다고 할 때 이 때 프로세스 A가 실행중이라고 한다.

→ 커널은 프로세스가 아니기 때문에

커널은 프로세스인가?
No. 시스템 관리를 위한 함수와 데이터의 집합으로, 스스로 실행되는 프로세스가 아니다
※ 그러면 커널은 어떻게 프로세스 스케줄링을 하는 것일까?
→ 커널내에 스케줄링 함수를 호출한다.
커널은 실행중이다?
아니다.
커널은 스택이나 힙을 가지는가?
No. 프로세스가 시스템 호출을 통해 커널에 진입하면 자신에게 할당된 커널 스택을 활용하여 커널에 있는 함수를 호출할 때 매개 변수나 지역 변수를 저장

스레드가 생성될 때 스레드마다 커널 스택이 할당

3.5 응용 프로그램 빌딩

라이브러리

응용 프로그램에서 활용할 수 있도록 미리 함수를 작성, 컴파일된 바이너리 형태의 파일

개발자의 개발 시간을 단축시키고 커널의 함수를 대신 호출하는 역할을 함

라이브러리는 다음 두 가지가 있다.

표준 라이브러리
시스템 호출 라이브러리(시스템 호출 함수, 커널 API) - 커널 함수를 실행하는 함수

3.5.1 사용자 코드와 라이브러리 코드의 링킹

사용자가 작성한 프로그램에 의해 호출되는 라이브러리가 결합되어 하나의 파일로 저장된다.

사용자가 작성한 부분과 표준 라이브러리는 사용자 공간에 위치하며, 모두 사용자 모드에서 실행된다.
- 표준 라이브러리 - 함수 호출(function call)을 통해 코드 실행
- 시스템 호출 라이브러리 - 시스템 호출 (System call)를 통해 커널 코드 사용

3.5.2 함수 호출(function call)로 라이브러리 활용

함수 호출 과정에서는 사용자 모드에서 변경되지 않는다.

3.5.3 시스템 호출(system call)로 커널 코드 호출

시스템 호출 라이브러리에 작성된 시스템 호출 함수를 통해 간접적으로 커널 함수를 호출한다.
- 시스템 호출 함수는 고유 번호(시스템 호출 번호)로 커널 함수를 구분한다.
시스템 호출의 동작
- CPU 모드를 커널 모드로 바꾸고, 커널 공간에 있는 시스템 호출 핸들러에 함수의 고유 ID를 넘겨주어 실행시킨다.

3.5.4 응용프로그램이 라이브러리와 커널 코드를 활용하는 과정

printf()는 버퍼에 따라 시스템 호출 함수인 write()가 실행될 수도 안될 수도 있다. (이후 자세히 설명)
open()은 시스템 호출을 유발하는데, 커널 함수의 고유 ID가 시스템 호출 핸들러에게 전달된다.

3.6 시스템 호출 (트랩)

CPU의 실행 모드를 커널 모드로 전환하고 커널 코드로 진입

3.7 시스템 호출 과정 사례

3.7 시스템 호출에 따른 비용

시스템 호출은 함수 호출에 비해 많은 시간 비용을 초래한다. 따라서 시스템 호출을 많이 실행하는 프로그램은 그만큼 실행 속도가 느리다.

1KB의 파일을 100 Byte 씩 읽는다고 가정하였을 때 표준 라이브러리 함수인 fread()의 경우 시스템 호출 함수 read()를 호출하여 디스크의 한 블럭(4KB)을 라이브러리 입력 버퍼에 읽어와 1번 시스템 호출이 발생하지만 시스템 호출 함수인 read()를 사용할 경우 디스크에서 100바이트 씩 10번 읽어와 시스템 호출이 10번 발생한다.

4. 운영체제와 인터럽트

인터럽트는 장치들이 어떤 상황이 발생하였음 을 CPU에게 알리는 하드웨어적 방법이다.

CPU가 인터럽트 신호를 받으면, CPU는 프로그램의 실행을 멈추고 돌아올 주소를 저장한 다음, 발생한 인터럽트를 처리하는 서비스 루틴을 실행한다. 서 비스 루틴이 끝나면 저장해둔 주소로 돌아가서 이전 프로그램의 실행을 계속한다.

인터럽트의 종류에는 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트가 있다.

4.2 컴퓨터에서 인터럽트 활용

컴퓨터에서 인터럽트가 활용되는 경우는 다양하다. 예를 들면 다음과 같다.

마우스를 움직이거나 클릭하는 등 마우스 조작
키보드 입력 • 네트워크로부터 데이터 도착
하드 디스크의 쓰기 종료
시스템 클럭으로부터 일정한 시간 간격으로 알림
컴퓨터의 리셋 버튼 누르기
USB 메모리 부착 혹은 해제

4.3 인터럽트 발생 및 처리 과정

용어 정리
- I/O APIC - 여러 입출력 장치로부터 인터럽트를 받기 위해, CPU와 입출력 창치 사이 존재하는 인터럽트 제어기
- Local APIC - I/O APIC로부터 인터럽트 정보를 받아 CPU의 INTR 핀에 직접 인터럽트 신호를 발생시키는 장치

4.3.1 인터럽트 벡터 테이블

인터럽트 벡터 테이블은 256개의 인터럽트에 대해 인터럽트 서비스 루틴（ISR）의 주소를 저장 하고 있는 테이블이다

인터럽트 벡터 테이블은 커널 영역에 저장되어 ISR에 대한 주소를 담고 있으며 CPU가 ISR 주소를 알아낼 때 사용된다.

※ 인터럽트 발생 시 운영체제는 특정 Local APIC로 인터럽트를 보내 처리 시키기도 하는데 이를 인터럽트 친화성이라 부른다.

4.4 인터럽트 서비스 루틴과 운영체제

인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트 핸들러라고 불리기도 하는데 이는 디바이스 드라이버나 커널 코드에 들어있다.

디바이스 드라이버는 장치를 제어하여 장치로부터 입출력을 수행하는 프로그램이다.

※ 일반적으로 디바이스 드라이버에 해당 장치에 대한 인터럽트를 처리하는 코드가 들어있음

※ 본래 디바이스 드라이버는 커널 영역에 적재되었지만 잘못 작성된 디바이스 드라이버로 인해 시스템에 오류가 생기는 문제로 최근에는 사용자 공간에 적재할 수 있는 디바이스도 허용하고 있다.

4.5 인터럽트는 다중 프로그래밍의 키

I/O 발생하면 CPU는 해당 프로세스를 중단 상태로 만들고 다른 프로세스를 실행하여 활용률을 높인다.
인터럽트가 발생하여 I/O가 끝났다는 것을 CPU가 통보 받으면 현재 실행중인 프로세스를 중단시키고 다시 원래 실행했던 프로세스를 실행한다.
인터럽트는 입출력 장 치와 CPU가 동시에 각자의 일을 실행하게 하여 컴퓨터 시스템이 효율적으로 작동하게 한다. CPU 를 보다 효율적으로 사용하여 CPU 활용률이 높아지고 시스템의 처리율도 높아진다.

운영체제, 정리

operating system

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