[운영체제] Chapter 1. Introduction (Interrupt)

Operating System에 관한 수업을 저의 식으로 정리해보려고 합니다.

시작하기 앞서 OS 를 이해하기 위해 컴뷰터 구조에 관해 정확히 알아보도록 하자.

1. Von Neuman Architecture

→ 폰노이만이 제안한 컴퓨터 구조로, 대부분의 컴뷰터가 따르고 있는 기본 구조이다.

• 방식
  • Input Device에서 데이타를 받고
  • Memory Unit에 프로그램과 데이터가 저장이 되어진다.
  • CPU가 메모리에서 프로그램 명령어를가져와 실행하고, 필요한 데이터를 읽어서 처리한다.
  • 연상 결과를 Memory Unit에 저장하거나 Output Device로 보내는 것이 순서!
• Programing Translation.

• 사람이 작성한 C 코드 → 컴파일러를 통해 Assembler code 로 변환(CPU에 따라 달라짐) → Object Code로 변환 → Linker : 여로개의 라이브러리와 오브젝트 파일을 결합하여 실행파일로 만듬 (ex. hello.out) → Loader 가 실행파일을 RAM(메모리)를 로드하고 CPU가 실행 → 그럼 보여주겟지?(Output Device)
• Vertual Memory → why? : Main memory는 multiprogramming/multiprocessing System의 모든 processes 를 작업하는데 충분하지 않다. 그래서 생겨났다.

• Memory Hierarchy

   → 빠른 메모리는 작고 비싸며, 느린 메모리는 크고 저렴하다! 는 특징이로 빠르면서도 큰 메모리처럼 보이게 만드는 개념이다!(illution)

• 상위 계층(Cash)일 수록 CPU 가까이에서 빠르게 동작하며 하위계층(SSD)은 대용랑 저장 용도로 사용!
• Locality Principle(지역성 원리)
  1. Temporal locality: 최근에 접근한건 다시 접근할 가능성이 높다
  2. → 캐시 활용: 자주 사용하는 데이터를 Level 1 에 유지하면 성능 향상
  3. Spatial locality: 최근 접근한 데이터 근처에 있는 데이터도 곧 접근할 가능성이 높다.
  4. → 한 번 데이터를 가져올 때 주변 데이터까지 한꺼번에 가져와 저장하면 캐시 적중률(cache hit rate)이 올라감

➡ 즉, 컴퓨터 성능을 극대화하고 비용을 최적화하기 위해 꼭 필요한 개념이다!

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2. What is Operating System?!

➡️ 컴뷰터의 하드웨어와 소프트 웨어를 운영하는데 필요한 시스템 소프트 웨어를 OS라고 한다!

✨ 사용자와 H/W t사이의 중제자!

• OS provider environment!
  • OS 만 쓴다면 유용한 기능은 아니지만,
  • OS가 제공되는 환경에서 무언가를 할떄 쉽게 할 수 있다! (ex. window에서 intelij 쓰기)
• OS manages system resources
  • 여러개의 프로그램(크롬, 인텔리제이, Youtube musice …)을 한번에 돌릴때 CPU, 메모리, 디스크, 네트워크 등의 시스템 리소스를 효율적으로 관리하여 사용자와 프로그램이 시간과 공간을 공유할 수 있도록 한다!
• OS transforms it into a virtual form of itself.
  • 물리적인 자원(리소스)을 가상화하여 여러 개의 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록 만든다!
  • 모든 프로그램은 CPU를 필요로 하지만 CPU의 코어수는 제한적이기에 어려개의 가상 CPU로 변환하여 동시에 실행하는 것처럼 보이게 만듬 → memory, disk, network 등등 다 가능.

➡️ So, OS is in charge of making sure the system operates correctly and efficiently.

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3. Interupt-Driven Program!

1. Computer System Organization

bus : 하드웨어 사이에 소통 창구?(Communication Channels between H/W)

→ Interpreter 공부할 때 필요!

  

   2.  Interrupt : H/W 또는 S/W 에서 발생하는 비동기 신호로, 시스템이 특정 작업을 즉시 처리할 필요가 있음을 알리는 역할!

• Interrupt Handler: Interrupt가 발생 햇을떄 실행되는 함수 혹은 루틴
• Interrupt Vector: Table of interrupt handler

그려본 모식도

• H/W interrupt - CPU로 보내는 시그널들.
• S/W interrupt
  • System Call : 프로그램으로 부터 요청되는 것 → I/O access, 메모리 할당 …
  • Exception

 3. Interrupt Handling

1. 어떤 interrupt가 들어 온다면, OS는 CPU의 register과 PC의 현제 상태를 저장한다.
2. interrupt는 대응 되는 handler를 다루고,
3. CPU는 이전에 저장한 것을 복원하며, interrupt가 발생하기 전 실행하던 프로그램으로 돌아간다

Interrupt Handling

 4. Storage Hierarchy (스토리지 계층 구조.)

➡️ 컴퓨터의 다양한 저장 장치들을 속도와 용량에 따라 계층적으로 구성하는 개념

Storage Hierarchy

• Caching: 느린 저장 장치의 데이터를 더 빠른 저장 장치에 복사하여 성능을 향상시키는 기법.
  • ex. RAM은 HDD보다 빠르기 때문에, OS는 자주 사용하는 데이터를 RAM에 캐싱함.
• CPU 캐시, RAM, SSD, HDD, 클라우드 저장소 등으로 구성되며, 속도와 비용이 반비례 관계를 가짐.
• 운영 체제는 캐싱 기법과 페이지 교체, 파일 시스템 관리 등을 통해 효율적으로 저장 장치를 관리.

 5. Interrupt Driven Data Transfer

 

   1) I/O Interrupt 발생

• 현재 **사용자 프로그램(User Program)**이 실행되고 있음. (예: add, sub, and, or 명령어 실행 중)
• 하드웨어(예: 키보드 입력, 디스크 I/O)가 인터럽트 신호를 CPU에 보냄.

  2) 현재 실행 중인 프로그램의 PC 저장 (Save PC)

• CPU는 현재 실행 중인 명령어의 Program Counter(PC) 값을 저장.

  3) 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine, ISR)으로 점프

• Interrupt Vector Table을 참조하여 해당 인터럽트에 대한 핸들러(Interrupt Handler)의 주소를 가져옴.
• CPU는 저장된 주소로 점프(Jump) 하여 interrupt Service routine(IRS)을 실행.

  4) 인터럽트 처리 수행 후 원래 프로그램으로 복귀

• ISR이 I/O 작업 수행 후 종료되면, CPU는 저장된 PC 값을 복원하여 원래 실행 중이던 사용자 프로그램으로 돌아감.
• 즉, 인터럽트 처리 후 중단된 명령어 이후의 실행을 개함.

6. DMS(Direct Memory Access)

• DMS란?
  • 디바이스 컨트롤러가 대량의 데이터를 메인 메모리로 직접 전송합니다.
  • CPU가 데이터 전송에 관여할 필요가 없음
  • 하드디스크와 같은 고대역폭 I/O 장치의 블록 전송에 적합
• DMS 작동 방식!
  1. 운영 체제가 DMA 컨트롤러에 전송 요청을 보냅니다.
  2. DMA 컨트롤러는 CPU의 개입 없이 데이터 전송을 수행합니다.
  3. 전송이 완료되면 DMA 컨트롤러가 CPU에 인터럽트를 보냅니다.

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## 그러면 여기까지.. 안녕~