2. 컴퓨터 시스템 구조

1. 컴퓨터 시스템의 동작

현대 컴퓨터는 공유된 주기억장치에 접근을 제공하는 공통 버스에 의해 연결된 CPU와 여러 개의 device controller로 구성된다.

device controller: 각 장치를 관리한다.

device controller와 CPU는 병행으로 수행되므로 이들은 주기억장치 접근에 대해 경쟁한다. 

Local buffer: CPU의 작업 공간인 메인메모리가 존재하는 것 처럼 device controller도 작업 공간이 필요하다.

메인 CPU의 작업 공간인 메인 메모리가 있듯이 디바이스 컨트롤러도 데이터를 임시로 저장하기 위한 작업 공간이 필요한데, 이를 Local Buffer가 그 역할을 한다.

컴퓨터가 처음 구동되면 초기에 실행될 프로그램이 있어야한다. 이를 부트스트랩 프로그램이라 하고, ROM에 저장되어 있다.

부트스트랩 프로그램은 모든 하드웨어를 초기화하고 운영체제 커널을 주기억장치에 적재한 후에 커널을 실행한다.

 

컴퓨터에서 사건의 발생은 인트럽트(interrupt) 신호 or 트랩(trap)을 통해 운영체제에 통보되며, 트랩은 예외(exception)을 의미한다.

인트럽트는 하드웨어가 발생하는 것이고, 트랩은 소프트웨어가 발생하는 인트럽트를 의미한다.

하드웨어는 CPU에 특정 신호를 보내어 인트럽트의 발생을 알린다.

소프트웨어는 시스템 호출(System call)이라는 특정 연산을 실행하여 일부로 발생시키거나 오류(0으로 나누기 등) 때문에 자발적으로 발생한다.

인트럽트가 발생되면 CPU는 현재 수행중인 작업을 멈추고, 운영체제 내에 있는 특정코드를 실행하고, 이 실행이 끝나면 다시 멈춘 작업을 재개한다.

 

동작원리

(1) 현재 작업을 멈추고, 현재 상태를 보관
(2) 인트럽트의 종류 분석
(3) 특정 인트럽트 수행(인트럽트 벡터 활용)
(4) 보관된 상태를 원상복귀하고 멈춘 작업 재개

 

2. I / O 구조

하나 이상의 장치가 하나 이상의 device controller에 연결될 수 있다.

device controller는 local buffer와 특수 목적 레지스터를 가진다.

 

1) I/O 인터럽트

I/O 시작 전에 CPU는 device controller에 있는 레지스터에 적절한 데이터를 적재한다. device controller는 이를 검사하여 어떤 행동을 할지 결정하고, I/O가 끝나면 인트럽트를 통해 CPU에 그 사실을 통보한다.

입출력의 두가지 형태

• 동기식 입출력(Synchronoous I/O): 요청한 프로세서는 입출력이 완료될 때까지 기다린다. 이는 식당 앞에서 줄을 서는 것과 같다.
• 비동기식 입출력(asynchronous I/O): 요청한 프로세서는 입출력이 완료될 때까지 기다리지 않고 계속 다른 작업을 수행한다. 이는 번호표를 가지고 다른 일을 하다가 자기 순서가 되면 식당으로 들어오는 것과 같다.

 

2) DMA(Direct Memory Access)

기본적으로 메모리는 CPU만이 접근한다. CPU 이외 장치가 메모리에 접근하려면 CPU에게 인트럽트를 발생시켜야 하는데, 입출력 장치의 속도가 빠르면 인트럽트가 너무 빈번하게 발생하여 CPU가 다른 작업을 할 시간이 적어진다. 속도가 느린 I/O 장치는 하나의 입력을 받은 후에 다음 입력까지 CPU는 다른 작업을 할 수 있다.

이를 위해 DMA를 사용한다. device controller는 데이터 블록을 CPU의 관여없이 직접 주기억장치로 이동하며, 인트럽트는 블록단위로 발생한다.

이렇게 되면 CPU와 DMA 모두 메모리에 접근이 가능해지는데, 이를 Memory Controller가 중재한다.

 

3. 저장 구조

컴퓨터 프로그램이 실행되려먼 주기억장치에 적재되어야 한다. CPU가 직접 접근할 수 있는 기억장치는 주기억장치 뿐이다.주기억장치의 단위는 워드이다.

모든 프로그램을 주기억장치에 영구저장하고 싶지만 주기억장치의 크기와 휘발성으로 인해 불가능하다. -> 보조 기억장치(영구저장)

 

4. 저장장치의 계층구조

저장장치 계층구조를 구성하면 저렴한 가격에 높은 성능을 얻을 수 있다.

위에 위치할 수록 속도는 빠르지만 고가

 

5. 하드웨어 보호

다중 프로그래밍 환경에서는 하나의 프로세스 오류가 다른 프로세스에게도 영향을 줄 수 있다.

1) 이중모드 동작: mode bit 사용

• user mode: 사용자 프로세스는 이 모드에서 실행되며, 제한된 명령만 처리가능. 인트럽트나 트랩이 발생하면 커널 모드로 전환
• kernel mode: 제약 없음

문제가 발생할 수 있는 명령어는 특권 명령 -> 모니터 모드에서만 수행

user는 OS만 수행할 수 있는 특권 명령 수행을 부탁하며 OS와 상호작용하며, 이런 요청을 system call

하드웨어는 이러한 system call을 소프트웨어 인트럽트로 간주

 

 

사진 Reference

https://steady-coding.tistory.com/511