[운영체제] 프로그램의 구조와 실행

1. 프로그램의 구조와 인터럽트

• 프로그램이 CPU에서 명령을 수행하려면 해당 명령을 담은 프로그램의 주소 영역이 메모리에 올라가 있어야한다.
• 프로그램의 주소 영역은 크게 코드(code), 데이터(data), 스택(stack) 영역으로 구분된다.
• 코드 영역 : 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장되는 부분
• 데이터 영역 : 전역 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 부분
• 스택 영역 : 함수가 호출될 때 호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시로 저장하는 데에 사용되는 공간

스택 영역은 함수의 호출에서 그 역할이 드러난다.

• X 함수를 수행하는 도중 Y 함수를 호출해야 한다고 가정했을 때, X 함수에서 Y 함수를 호출한 지점을 스택에 저장해놓고 Y 함수가 수행된 후 스택에 저장된 주소 위치로 돌아와 코드를 계속해서 수행하게 된다.
• A라는 프로그램이 CPU를 할당받고 명령을 수행하는 상황에서 인터럽트가 발생하면 A는 현재 수행중인 명령의 위치를 일반적인 프로그램과 달리 OS가 관리하는 프로세스 제어 블록(PCB)에 저장한다. 그 후 OS의 내부 코드인 인터럽트 처리 루틴으로 넘어갔다가 다시 돌아올 때 저장된 위치부터 수행을 이어간다.

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2. 컴퓨터 시스템의 작동

• 프로그램 카운터(Program Counter, PC) : CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고 있는 레지스터
• 일반적으로 조건문이나 반복문, 함수 호출 등에 의한 주소 이동이 없는 이상 프로그램 카운터는 항상 바로 다음 명령을 가리키기에 코드의 순차적인 수행이 이루어진다.

• 메모리에는 사용자 프로그램들과 OS가 같이 올라가 수행된다. 이 때 CPU는 PC가 가리키는 메모리 위치의 프로그램을 수행한다.
• 예시로, PC가 OS가 존재하는 메모리 주소를 가리킨다면 CPU가 커널 모드(kernel mode)를 수행 중이라고 할 수 있다. 반대로 PC가 사용자 프로그램이 존재하는 메모리 위치를 가리킨다면 사용자 모드(user mode)를 수행 중이라고 한다.

※ CPU가 수행하는 명령

① 일반명령

• 메모리에서 자료를 읽어와 CPU에서 계산하고 결과를 메모리에 쓰는 일련의 명령, 모든 프로그램이 수행할 수 있다.

② 특권명령

• 보안이 필요한 명령으로 입출력 장치, 타이머 등 각종 장치에 접근하는 명령이다.
• 컴퓨터 시스템에서는 이러한 특권명령은 OS만이 수행할 수 있도록 제한하고 있다.

컴퓨터 시스템에서는 두 명령의 실행가능성을 체크하기 위해 CPU 내에 모드비트(mode bit)를 둔다.

 

• 사용자 프로그램이 실행되다보면 입출력 장치의 접근 등이 필요할 수 있다. → 사용자 프로그램은 스스로 특권명령을 수행할 수 없음 → OS에 특권명령의 대행 요청 → 시스템 콜(System call)
• 디스크에서 자료를 읽어오는 시스템 콜을 가정할 때, CPU가 디스크 컨트롤러에게 데이터를 읽어오라는 명령을 내리면 컨트롤러는 디스크로부터 데이터를 읽어와 자신의 로컬 버퍼에 저장한다. 그리고 컨트롤러가 CPU에 인터럽트를 발생시킴으로써 작업이 끝났음을 알린다.
• CPU는 PC가 가리키는 메모리 위치의 명령만 계속 수행하기 때문에 주변 장치의 상태를 지속적으로 파악할 수 없다.
• 주변장치는 CPU의 도움이 필요하다면 인터럽트를 사용해 CPU의 서비스를 요청하고 인터럽트를 발생시키기 위해 인터럽트 라인을 세팅하고, CPU는 매번 명령을 수행한 뒤 인터럽트 라인을 체크하여 서비스 요청이 들어왔는지 확인함.

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3. 프로그램의 실행

• 프로그램이 '실행'된다 : ⓙ 디스크에 존재하던 실행파일이 메모리에 적재된다. ② 프로그램이 CPU를 할당받고 명령을 수행하는 상태이다.
• 프로그램의 주소 공간 중 당장 CPU 수행에 필요한 부분은 메모리에 올려놓고 그렇지 않은 부분은 디스크 중 메모리의 연장 공간으로 사용되는 스왑 영역에 내려놓는다.
• 가상 메모리(논리적 메모리) : 프로세스의 주소 공간 중 코드, 데이터, 스택 영역 등을 가리키며 실제 물리적 메모리의 주소와 독립적으로 각 프로그램마다 독자적인 주소 공간을 갖기 때문에 지칭됨

※ 운영체제 커널

▷ 코드 영역

• CPU, 메모리 등의 자원을 관리하기 위한 부분과 사용자에게 편리한 인터페이스를 제공하기 위한 부분이 주를 이루고 있다. 
• 이외에도 시스템 콜 및 인터럽트를 처리하기 위한 부분 포함

▷ 데이터 영역

• 각종 자원을 관리하기 위한 자료구조가 저장된다.
• 프로세스(process, 현재 수행 중인 프로그램)를 관리하기 위한 자료구조와 CPU, 메모리와 같은 하드웨어 자원을 관리하기 위한 자료구조도 이 데이터 영역에 유지된다.
• 각 프로세스의 상태, CPU 사용 정보, 메모리 사용 정보 등을 유지하기 위한 자료구조인 PCB를 두고 있다.

▷ 스택 영역

• 일반 프로그램의 스택 영역과 마찬가지로 함수호출 시의 복귀 주소를 저장하기 위한 용도로 쓰인다.
• 일반 사용자 프로그램과 다른점은, 현재 수행 중인 프로세스마다 별도의 스택을 두어 관리한다. 이렇게 하는 이유는 일반 프로세스의 경우에는 자신의 스택에 복귀 주소를 저장하면 끝이지만 커널의 경우는 일종의 공유 코드로써 모든 사용자 프로그램이 접근할 수 있으므로 일관성 유지를 위해 커널 내에 각 프로세스마다 별도의 스택을 두게 된다.
• 프로그램 내의 함수호출 시 해당 프로그램의 스택에 복귀 주소를 저장하지만, 시스템 콜이나 인터럽트 발생으로 CPU의 수행 주체가 OS로 바뀌는 순간 직전에 수행되던 프로그램의 복귀 정보를 스택이 아닌 PCB에 저장한다.

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4. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

▷ 사용자 정의 함수

• 프로그래머 본인이 직접 작성한 함수

▷ 라이브러리 함수

• 프로그래머 본인이 직접 작성하지는 않았으나 누군가 이미 작성해놓은 함수를 호출만 하여 사용하는 경우
• 사용자 정의함수와 라이브러리 함수는 프로그램의 코드 영역에 기계어 명령 형태로 존재

▷ 커널함수

• OS 커널의 코드에 정의된 함수
• 시스템 콜 함수(사용자 프로그램이 OS의 서비스를 요청하기 위해 호출하는 함수)와 인터럽트 처리 함수(하드웨어 및 소프트웨어가 CPU의 서비스를 요청하기 위해 발생)
• 운영체제 커널에 있는 함수를 사용자 프로그램이 호출하여 사용하는 형태

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5. 인터럽트

• CPU는 매번 프로그램 카운터가 가리키고 있는 지점의 명령을 수행하고 나서, 다음 명령을 수행하기 직전 인터럽트 라인이 세팅되었는지 체크한다.
• 체크를 통해 인터럽트가 발생했다면 CPU는 현재 수행하던 프로세스를 멈추고 OS의 인터럽트 처리루틴으로 이동하여 인터럽트 처리를 수행한다. 그 뒤에 다시 원래 프로세스로 CPU 제어권이 넘어간다.
• 인터럽트 처리 중에 또 다른 인터럽트가 발생하는 것은 원칙적으로는 허용되지 않으나(일관성 문제), 예외가 존재하는데 예시로 인터럽트 처리루틴을 수행하고 있을 때 더 시급한 CPU를 사용해야 하는 일이 발생할 수 있기 때문
• 더 높은 우선순위의 인터럽트가 발생한다면 현재 처리중인 인터럽트 코드의 수행 지점을 저장하고 우선순위가 높은 인터럽트를 먼저 처리 후, 원래 수행중이던 인터럽트 처리코드로 돌아간다.

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6. 시스템 콜

• 시스템 콜은 함수 호출이기는 하나 일반적인 함수 호출과는 다르게 자신의 프로그램이 아닌 커널이라는 다른 프로그램의 주소 공간에 존재하는 함수를 호출하는 것이다.

일반적인 함수 호출은 자신의 스택에 복귀 주소를 저장한 후 호출된 함수 위치로 점프하는 것이다.
그러나, 시스템 콜은 주소 공간 자체가 다른 곳으로 이동하는 것이므로 일반 함수 호출과 차이점이 생긴다.

• 커널의 함수를 호출한다면 그 함수는 사용자 프로그램 주소 공간에서는 호출이 이루어질 수 없다. 따라서, CPU의 제어권을 OS로 넘기게 되는데, 이 과정은 인터럽트 라인을 세팅하는 명령을 통해 이루어진다.
• CPU가 인터럽트가 발생한 것을 인지하고 현재 수행중인 사용자 프로그램을 멈추고 OS로 제어권을 이양시킨다. OS에서는 설정된 인터럽트 라인을 보고 입출력을 요청하는 인터럽트임을 파악 후 해당 서비스루틴으로 이동해 입출력 작업을 수행한다. 이 과정에서 CPU는 디스크 컨트롤러에 파일을 읽어오라는 명령을 한다.

 

※ 디스크 컨트롤러가 디스크에서 데이터를 읽어오는 일은 너무 느리다!!

① CPU에서 명령을 수행하는 일과 비교해서 너무 느리다. CPU가 입출력의 완료만을 기다리고 명령을 수행하지 않는 것은 효율적이지 않다.

② OS는 입출력을 요청한 후 CPU의 제어권을 다른 프로세스에 이양한다. CPU에서 다른 프로세스의 명령을 수행하는 도중 디스크 컨트롤러에서는 입출력 작업이 완료되면 CPU에 인터럽트를 발생시켜 작업이 끝났음을 알린다. (하드웨어 인터럽트)

③ 디스크로부터 로컬 버퍼로 읽어온 내용을 컴퓨터 내의 메모리로 복사한 후 디스크 입출력을 요청했던 프로세스에게 다시 CPU를 획득할 수 있는 권한을 준다. (blocked state에서 풀어줌)

④ 해당 프로세스는 CPU를 기다리는 큐에 삽입되고 CPU의 제어권은 인터럽트를 당했을 때의 프로세스로 다시 넘어가 하던 작업을 수행하게 된다.

 

※ 타이머

• 특정 프로그램에 의해 CPU가 독점되는 것을 방지하기 위한 하드웨어, CPU 할당시간이 만료되면 인터럽트를 발생시킨다.
• 여러 프로세스가 CPU를 나누어 사용하는 시분할 시스템의 구현을 위해 필수적인 요소라 할 수 있다.
• 프로그램이 CPU를 할당받고 명령을 수행하다가 중간에 제어권을 빼앗기는 경우는 이 타이머에 의한 경우나 혹은 시스템 콜이 발생했을 경우이다.

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7. 프로세스의 두 가지 상태

• 하나의 프로세스가 시작되어 수행이 끝나기까지 자신의 주소 공간의 코드 뿐 아니라 커널의 주소 공간에 있는 코드도 실행된다.
• 사용자모드와 커널모드의 실행 상태로 구분지을 수 있다. 프로그램이 사용자 정의 함수나 라이브러리 함수를 호출할 때에는 모드의 변경 없이 사용자모드에서의 실행 상태를 유지하고, 시스템 콜을 하는 경우 커널모드에서의 실행 상태로 진입하여 커널의 주소 공간에 정의된 함수를 실행한다.
• 시스템 콜의 실행이 끝나면 다시 사용자 모드로 돌아와 시스템 콜 이후의 명령을 계속해서 수행한다. 프로그램의 실행이 끝날 때에는 커널 모드로 진입해 프로그램을 종료한다.