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김라윤.3(2)장 - 컴퓨터 시스템의 동작 원리.md

File metadata and controls

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6. DMA

  • 메모리 접근 연산이 CPU에 의해서만 이루어질 경우 입출력 장치가 메모리 접근을 원할 때마다 인터럽트에 의해 CPU의 엄무가 방해를 받게 되어 CPU사용의 효율성이 떨어지는 문제점이 발생한다.

DMA : CPU가 입출력 장치들의 메모리 접근 요청에 의해 자주 인터럽트 당하는 것을 막아 주는 역할을 한다.

  • 위와 같은 문제 때문에 CPU 이외의 메모리 접근 가능한 장치를 하나 더 두는데 그것을 DMA라고 한다.

7. 저장장치의 구조

컴퓨터 시스템을 구성하는 저장장치는 주기억장치와 보조기억장치로 나눌 수 있다.

  • 주기억장치 :

    • 보통 메모리라고 부르며 전원이 나가면 저장되었던 내용이 모두 사라져 버리는 휘발성의 RAM을 매체로 사용되는 경우가 대부분.

  • 보조기억장치 :

    • 전원이 나가도 저장된 내용을 기억할 수 있는 비휘발성의 마그네틱 디스크를 주로 사용한다.

    • 파일 시스템용 file system

      • 전원이 나가도 유지해야 할 정보가 있으면 그것을 파일 형태로 보조기억장치에 저장.

    • 스왑 영역 swap area

      • 메모리는 크기가 한정되고, 가격이 상대적으로 비싼데다가 용량이 적은 경우가 대부분이라, 운영체제는 프로그램 수행에 당장 필요한 부분만 메모리에 올려놓고 그렇지 않은 부분은 디스크의 스왑 영역에 내려놓게 된다.
      • 위와 같이 디스크에 내려놓는 일을 스왑 아웃 swap out 이라 한다.

  • 여러 개의 마그네틱 원판들이 있고 암 arm 이 이동하며 원판에 저장된 데이터를 읽고 쓰는 방식으로 동작.
  • 디스크 원판의 표면은 트랙 track 으로 나뉘고, 각 트랙은 섹터 sector 로 나뉜다.

8. 저장장치의 계층 구조

컴퓨터 시스템을 구성하는 저장장치는 빠른 저장장치부터 느린 저장장치까지 단계적인 계층 구조로 이루어진다.

  • 상위 저장장치 계층으로 갈수록 접근 속도가 월등히 빠르지만 용량은 상대적으로 적다.

  • 하지만 당장 필요한 정보마을 선별적으로 저장하면 하위에 있는 큰 용량의 저장장치를 가지고 있는 것과 비슷한 성능 효과를 낼 수 있다.

9. 하드웨어의 보안

하드웨어적인 보안을 유지하기 위해서 운영체제는 기본적으로 커널모드 와 사용자모드 이렇게 두 가지를 지원한다.

  • 커널모드 kernel mode , system mode

    • 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 윤영체제 코드를 실행하는 모드.
    • 이 모드에서는 모든 종류의 명령을 다 실행할 수 있다.

  • 사용자모드 user mode

    • 일반 사용자 프로그램이 실행되며 제한적인 명령만 수행할 수 있다.

시스템에 중요한 영향을 미치는 연산은 커널모드에서만 실행 가능하도록 함으로써 하드웨어의 보안을 유지하는 것.

모드비트 mode bit

  • 컴퓨터 시스템은 CPU 내부에 모드비트를 두어 사용자 프로그램을 감시하게 된다.

  • 모드비트가 0으로 세팅되어 있으면 커널모드로서 모든 명령을 수행할 수 있다.

  • 모드비트가 1로 세팅되어 있으면 사용자모드로서 제한된 명령만을 수행할 수 있다.

    1. CPU는 보안과 관련된 명령을 수행하기 전 모드비트를 조사
    1. 그 값이 0으로 세팅된 경우에만 그 명령을 수행
    2. 운영체제가 CPU를 점유해 자신의 코드를 수행
    3. 모드비트를 다시 1로 세팅
    4. 사용자 프로그램에게 CPU의 제어권을 넘김

10. 메모리 보안

여러 프로그램이 메모리에 동시에 올라가서 실행되기 때문에 하나의 사용자 프로그램이 다른 사용자 프로그램이나 운영체제가 위치한 메모리 영역을 침범할 수 있기 때문에 메모리 보안도 필요하다.

  • 인터럽트 벡터와 인터럽트 처리루틴이 있는 곳은 각별한 보안이 필요.

    • 사용자 프로그램이 인터럽트 처리루틴을 접근하거나 변경할 수 있을 경우 운영체제만 수행할 수 있는 특권명령을 보안성이 침해되는 이상한 명령으로 변형할 수 있기 떄문.

      • 이에 해결방안으로 기준 레지스터와 한계 레지스터가 있다.

  • 기준 레지스터 base register

    • 어떤 프로그램이 수행되는 동안 그 프로그램이 합법적으로 접근할 수 있는 메모리상의 가장 작은 주소를 보관하고 있다.

  • 한계 레지스터 limit register

    • 그 프로그램이 기준 레지스터값부터 접근할 수 있는 메모리의 범위를 보관하고 있다.

11. CPU 보호

CPU는 컴퓨터 시스템 내에 하나밖에 존재하지 않기 때문에 특정 프로그램이 CPU를 독점해 부적절한 방법으로 CPU의 사용 권한을 독점하고 있다면 다른 프로그램 및 운영체제가 CPU를 빼앗을 방법이 없게 된다.

  • CPU가 하나의 프로그램에 의해 독점되는 것을 막기 위해 운영체제는 타이머라는 하드웨어를 사용한다.

타이머 timer

  • 타이머는 정해진 시간이 지나면 인터럽트를 발생시켜 운영체제가 CPU의 제어권을 획득할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

    • 타이머에 의해 발생되는 인터럽트 처리루틴의 역할

      • 다른 프로그램으로부터 CPU 제어권을 빼앗는다.
      • 다른 프로그램에게 CPU를 이양한다.
      • 타이머는 일정한 시간단위로 세팅 가능
      • 매 클럭 틱 clock tick 때마다 1씩 감소.
      • 타이머가 0이 되는 순간 인터럽트 발생

타이머의 값을 세팅하는 명령 = 로드 타이머 load timer

12. 시스템 콜을 이용한 입출력 수행

  • 사용자 프로그램이 디스크의 파일에 데이터를 쓰거나 디스크의 파일로부터 데이터를 읽어오는 행위, 키보드로부터 입력을 받거나 수행 결과를 화면의 출력하는 행위 등은 모두 특권명령인 입출력 명령에 해당

    • 특권명령은 사용자 프로그램이 직접 수행할 수 없다.
    • 하여, 운영체제에게 시스템 콜이라는 서비스 대행 요청을 하여 입출력을 수행한다.

  • 시스템 콜은 일종의 소프트웨어적인 인터럽트로서 사용자 프로그램이 시스템 콜을 할 경우 트랩이 발생해 CPU의 제어권이 운영체제로 넘어가게 된다.

    1. 시스템 콜이 '디스크 입출력 요청이었다' 할 떄,
    1. 디스크 컨트롤러에게 입출력 요청을 수행하도록 명령
    2. 디스크 컨트롤러가 입출력 수행 완료
    3. CPU 에게 인터럽트를 발생시켜 입출력이 완료되었음을 알림
    4. 해당 프로그램이 다시 CPU를 할당받음