컴퓨터 시스템의 구조와 프로그램 실행(System Structure & Program Execution)

프로그램들이 하드웨어 위에서 어떻게 돌아가는지...

 

컴퓨터시스템의 구조

컴퓨터 시스템은 두 가지 부분으로 이루어져 있다. 보통 호스트 컴퓨터라고 말하는 CPU 와 Memory 로 구성된 장치와 Disk, 모니터, 키보드 등 데이터의 입출력이 이루어지는 I/O device 이다.

 

 

Memory

Memory 는 CPU의 작업 공간이다. CPU는 메모리에서 매 clock time 마다 기계어(명령어)를 읽어서 작업을 수행한다. 사실 CPU가 하는 일은 이렇게 Memory 에서 명령어를 읽고 실행하는 것 뿐이다. 이 작업 결과는 Output device 인 모니터, 프린터로 출력되고 명령 수행에 필요한 데이터는 Disk, 키보드 등에서 입력받는다. Disk 는 작업 결과를 보관하는 Output device 역할도 수행한다.

 

참고로 CPU 내부에는 Memory 공간의 주소를 담고 있는 PC(Program counter) 가 있고, 여기서 다음 명령어의 주소를 읽는다.

 

I/O device

각각의 I/O device 는 그것들을 관리/통제하는 작은 CPU 역할을 하는 것이 붙어있는데, 이것을 device controller 라고 한다. 즉, I/O device를 관리하는 것은 컴퓨터의 CPU가 아니라 이 device controller 가 담당한다. 또 컴퓨터의 메모리처럼 이 device contoller 가 작업하는 공간인 local buffer 도 있다. 이렇게 별도로 관리하는 이유는 CPU와 I/O device 사이 속도 차이가 많이 나기 때문이다.(CPU는 빨리빨리 일 수행하고 다음으로 넘어가야 하는데 계속 I/O device 를 기다리는건 비효율적이므로..)

 

Interrupt

CPU 는 메모리하고만 멈추지 않고 계속 일한다. 어떤 프로그램을 돌리다가 I/O 작업이 필요하다거나, time sharing 을 위해 주어진 timer가 끝난 후 다음 프로그램을 돌린다거나 하는 작업을 하려면 잠깐 멈춰보라고 Interrupt 를 걸어줘야 한다. 이 Interrupt 를 거는 통로를 Interrupt line 이라고 한다. CPU는 다음 명령어를 실행하기 전에 이 Interrupt line 을 체크한다.

 

이 Interrupt 가 걸렸을 때 I/O 장치의 device controller 에게 명령을 전달하고, I/O 장치의 처리 결과를 어떤 프로그램에게 copy해주고, timer 가 끝나 다른 프로그램을 돌리는 작업을 하라고 CPU에게 요청하는 주체가 바로 운영체제다. 

 

인터럽트가 걸리면 인터럽트 당한 시점의 PC(다음에 실행할 명령어) 를 save하고 CPU의 제어를 인터럽트 루틴에게 넘긴다. 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine) 은 해당 인터럽트를 실제로 처리하는 커널 함수다. 이 커널 함수의 주소는 인터럽트 벡터가 가지고 있다.

 

Mode bit

이렇게 사용자 프로그램과 운영체제가 하는 일이 다르다. 예를 들어, I/O 작업은 보안상의 이유로 운영체제가 처리하도록 해놨으니 사용자 프로그램이 처리해선 안 된다. 또 사용자 프로그램이 운영체제의 메모리 공간에 접근하면 안 된다. 쌍방 간 작업에 영향을 끼치지 않게 하기 위해 지금 CPU가 실행하고 있는 것이 운영체제인지 사용자 프로그램인지 알려주는 것이 필요하다. 이게 바로 Mode bit 이다.

 

Mode bit 이 0이면 운영체제 코드를 수행하고 1이면 사용자 프로그램을 수행한다. Interrupt 나 Exception 이 발생하면 이 Mode bit 을 0으로 바꾸고, OS 가 처리하고 난 후 사용자 프로그램에게 CPU를 넘길 때 Mode bit 을 1로 바꾼다. 참고로 OS 코드를 수행하는 것을 모니터 모드(=커널 모드, 시스템 모드)라고 하고 사용자 프로그램을 실행하는 것을 사용자 모드라고 한다.

 

DMA(Direct Memory Access)

너무 잦은 Interrupt 가 걸리면 CPU 성능이 저하될 것이다. I/O 작업 처리 결과를 끝나자마자 byte 단위로 매번 올리는 게 아니라, DMA 라는 부분이 CPU의 중재 없이 I/O device 의 local buffer 내용을 직접 메모리에 block 단위로 전송하고 딱 한번만 Interrupt 를 건다. memory controller 는 CPU와 DMA Contoller 가 동시에 메모리에 접근하지 못하게끔 관리하는 부분이다.

 

입출력(I/O) 의 수행

입출력 작업은 사용자 프로그램이 하는 것이 아닌, 운영체제가 하는 특권 명령이다. 사용자 프로그램이 I/O가 필요한 경우 운영체제에게 요청하는데, 이것을 시스템 콜(system call) 이라고 한다. 정확하게 말하면 사용자 프로그램이 운영체제의 커널 함수를 호출하는 것이다. 이것은 일반 함수 호출처럼 이루어지는 것이 아닌, Interrupt 를 통해 이루어진다.

 

Interrupt 는 보통 하드웨어의 인터럽트를 말하고, 소프트웨어가 건 Interrupt 는 Trap 이라고 한다. 프로그램 오류(Exceoption) 이나 System call 이 Trap 이다.

 

동기식 입출력(Synchronous I/O)

사용자 프로그램이 운영체제에게 입출력을 요청하고, 이것이 끝날 때까지 아무 것도 하지 않고 기다리는 것이다. 제어가 완료되면 Interrupt 로 알려주고 그제서야 CPU 제어가 사용자 프로그램에게 넘어간다. 어떤 작업을 하기 위해 Disk 에서 데이터를 읽어와야하는데, 이것이 없으면 그 다음 작업을 수행할 수 없기 때문에 보통은 데이터 읽기의 경우 동기식으로 입출력이 이루어진다.

 

이때 I/O 작업이 완료될 때까지 기다리면 CPU가 낭비되고 매 시점 하나의 I/O 만 일어날 수 있으므로 I/O device 도 낭비된다. 이런 문제를 해결하기 위해 보통은 마냥 기다리지 않고 다른 프로그램에게 넘겨주는 방식으로 구현된다.

 

비동기식 입출력(Asynchronous I/O)

입출력이 진행되는 동안 완료되기도 전에 CPU 제어가 바로 사용자 프로세스에게 넘어가 다른 작업을 수행하는 것이다. 입출력 작업이 끝나면 마찬가지로 Interrupt 로 알려주고 다시 인터럽트 걸린 작업을 수행한다. 데이터를 Disk 에 보관할 때는 그 다음 작업에 영향이 없기 때문에 비동기식으로 이루어져도 된다.

 

저장장치 계층 구조

CPU와 가까울 수록 속도가 빠르고 비싸고 공간이 적다. Secondary 는 보통 정보가 컴퓨터가 종료되어도 유지되는 비휘발성 메모리이고, Primary 는 컴퓨터가 종료되면 데이터가 날아가는 휘발성 메모리로 구성된다.

 

이렇게 Disk 는 속도가 느리고 CPU는 속도가 빠르니, Main Memory에서 데이터를 읽을 때 CPU와의 속도를 맞추기 위해 Cache Memory 를 사용하고 CPU 내부에 있는 저장공간인 Registers 에서 읽는다. 속도차이 극복 뿐만 아니라, Cache Memory 에 저장되어 있는 데이터는 이후 재사용할 수 있어서 다시 Memory 에서 읽어오는 게 아니라 Cache Memory 에서 읽으면 더 빨리 수행할 수 있다. 이것을 Caching 이라고한다.

 

프로그램의 실행(메모리 load)

보통 프로그램은 실행 파일 형태로 하드디스크에 저장되어 있고 실행되면 메모리에 올라가게 된다. 메모리 올라갈 때는 0부터 시작하는 그 프로그램만의 독자적인 Address space 가 형성된다. code는 CPU를 실행하는 기계어 코드가 담겨 있는 부분이고 data 는 프로그램이 실행하는 전역 변수를 담고 있다. stack 은 변수나 함수를 호출할 때 하나하나 쌓으며 호출 순서를 제어한다. 이 Address space 전체를 memory 에 올리면 공간 낭비가 되니 당장 실행에 필요한 부분만 뽑아 올리고 필요하지 않는 부분은 메모리의 연장선인 Swap area로 내린다. 이러한 기법과 Address space 를 통틀어 가상 메모리 방식이라고 한다. 참고로 Swap area 도 휘발성이다.

 

Memory 에서 1000번지가 Address space 에서는 100번지일 수 있으므로 둘은 Mapping 되어야 한다. 이것을 Address translation 이라고 하고 이것을 처리하는 하드웨어 부분이 따로 존재한다. Address space 의 주소를 논리적인 주소라고 하고 그 프로그램의 함수, 변수를 말한다. 그리고 실제 Memory 의 주소를 물리적인 주소라고 한다.

 

커널 주소 공간(Kernel Address space)의 내용

운영체제도 사실상 하나의 프로그램이므로 Address space 를 가진다. code 부분에는 운영체제가 하는 처리와 관련된 code 들(시스템콜, 인터럽트 처리 코드 등)이 들어 있다. data 에는 운영체제가 사용하는, CPU/memory/disk 등을 관리하기 위한 자료구조들이 저장되어 있다. 또 여기엔 프로세스들을 관리하기 위해, 다음 프로세스에게 CPU 제어를 넘기기 위한 자료구조인 PCB(Process Control Block) 도 존재한다. 운영체제도 함수 구조로 코드가 짜여져 있으므로 stack 부분이 존재한다. 이 stack 은 어떤 사용자 프로그램이 어떤 커널 코드를 실행했는지를 봐야 하므로 프로세스마다 커널 스택을 따로 둔다.

 

프로그램 실행

위 사진은 프로그램의 시작부터 종료까지의 과정을 담고 있다. user mode 일 땐 사용자 프로그램 주소공간의 코드들이 실행되다가 system call이 발생하면 kernel mode 로 전환되고 kernel 주소 공간의 코드들이 실행된다. 시스템 콜이 끝나면 다시 CPU 제어가 사용자 프로그램으로 넘어가고 이게 프로그램이 끝날 때까지 반복된다.