공부하는 개발 블로그

4.1 프로그램의 구조와 인터럽트

프로그램을 수행하기 위해서는 명령의 주소가 메모리에 올라가있어야한다.

프로그램의 주소 영역 : 코드, 데이터, 스택

코드 - 기계어 명령 부분

데이터 - 전역변수

스택 - 복귀할 주소 및 데이터

돌아올 주소를 스택에 저장

프로그램 내에서 발생되는 함수 호출에 필요한 복귀 주소 : 프로그램의 주소 공간 중 스택

인터럽트에 의해 CPU를 선점당한 위치 : 운영 체제 커널

◆ PCB(PRocess Control Block) 프로세스 제어 블록:

인터럽트 발생시 프로그램의 어느 부분까지 수행했는가를 저장하기 위한 영역

A 수행 중 인터럽트 -> 현재 실행 중이던 지점을 A의 프로세스 블록에 저장

4.2 컴퓨터 시스템의 작동 개요

◆ PC(Program Counter) 프로그램 카운터:

CPU가 수행해야할 메모리 주소를 담고 있는 카운터

컴퓨터의 구조:

하드웨어 : CPU, 메모리

+ 입출력 장치의 CPU와 메모리 : 입출력 컨트롤러(I/O controller), 로컬 버퍼(Local Buffer)

프로그램 카운터가 운영체제가 존재하는 부분을 가리키는 경우 -> 커널 모드

사용자 프로그램을 가리키는 경우 -> 사용자 모드

CPU의 명령

일반 명령 : 메모리를 읽고 CPU에서 계산하고 다시 메모리에 적는 과정 - 모든 프로그램이 수행할 수  있음

특권 명령: 보안이 필요한 명령. 입출력 장치, 타이머 등 접근. - 운영체제만 수행할 수 있도록 제한.

모드 비티를 통해 제한

◆ 시스템 콜(system call) : 사용자 프로그램이 특권 명령의 권한이 필요한 경우 - 운영체제에 요청

예) 디스크에서 데이터 읽기:

CPU가 컨트롤 레지스터를 세팅해서 데이터를 읽어오도록 명령

-> 디스크 컨트롤러가 자신의 로컬 버퍼에 저장

-> 디스크 컨트롤러가 인터럽트 발생

◆ 인터럽트 라인(interrupt line): 주변장치가 인러텁트를 세팅할 사용하는 것

인터럽트의 발생 원인마다 라인이 다름

인터럽트 발생 -> 커널 내의 인터럽트 처리 코드 수행

4.3 프로그램의 실행

1) 메모리에 실행 파일이 적재

2) 프로그램이 CPU를 할당받고 기계 명령을 수행하고 있는 상태를 의미.

여러 프로그램이 짧은 시간 단위로 CPU를 나누어 씀.

프로그램 전체가 메모리에 적재 되지는 않음

4.1 프로그램의 구조와 인터럽트

프로그램을 수행하기 위해서는 명령의 주소가 메모리에 올라가있어야한다.

프로그램의 주소 영역 : 코드, 데이터, 스택

코드 - 기계어 명령 부분

데이터 - 전역변수

스택 - 복귀할 주소 및 데이터

돌아올 주소를 스택에 저장

프로그램 내에서 발생되는 함수 호출에 필요한 복귀 주소 : 프로그램의 주소 공간 중 스택

인터럽트에 의해 CPU를 선점당한 위치 : 운영 체제 커널

◆ PCB(PRocess Control Block) 프로세스 제어 블록:

인터럽트 발생시 프로그램의 어느 부분까지 수행했는가를 저장하기 위한 영역

A 수행 중 인터럽트 -> 현재 실행 중이던 지점을 A의 프로세스 블록에 저장

4.2 컴퓨터 시스템의 작동 개요

◆ PC(Program Counter) 프로그램 카운터:

CPU가 수행해야할 메모리 주소를 담고 있는 카운터

컴퓨터의 구조:

하드웨어 : CPU, 메모리

+ 입출력 장치의 CPU와 메모리 : 입출력 컨트롤러(I/O controller), 로컬 버퍼(Local Buffer)

프로그램 카운터가 운영체제가 존재하는 부분을 가리키는 경우 -> 커널 모드

사용자 프로그램을 가리키는 경우 -> 사용자 모드

CPU의 명령

일반 명령 : 메모리를 읽고 CPU에서 계산하고 다시 메모리에 적는 과정 - 모든 프로그램이 수행할 수  있음

특권 명령: 보안이 필요한 명령. 입출력 장치, 타이머 등 접근. - 운영체제만 수행할 수 있도록 제한.

모드 비티를 통해 제한

◆ 시스템 콜(system call) : 사용자 프로그램이 특권 명령의 권한이 필요한 경우 - 운영체제에 요청

예) 디스크에서 데이터 읽기:

CPU가 컨트롤 레지스터를 세팅해서 데이터를 읽어오도록 명령

-> 디스크 컨트롤러가 자신의 로컬 버퍼에 저장

-> 디스크 컨트롤러가 인터럽트 발생

◆ 인터럽트 라인(interrupt line): 주변장치가 인러텁트를 세팅할 사용하는 것

인터럽트의 발생 원인마다 라인이 다름

인터럽트 발생 -> 커널 내의 인터럽트 처리 코드 수행

4.3 프로그램의 실행

1) 메모리에 실행 파일이 적재

2) 프로그램이 CPU를 할당받고 기계 명령을 수행하고 있는 상태를 의미.

여러 프로그램이 짧은 시간 단위로 CPU를 나누어 씀.

프로그램 전체가 메모리에 적재 되지는 않음

프로그램 마다 코드, 데이터, 스택 공간을 각각 가짐.

커널도 프로그램이므로 독립적인 코드, 데이터, 스택 공간을 가짐.

커널의 코드: CPU, 메모리 등의 자원 관리 + 사용자 인터페스 제공 + 시스템 콜 및 인터럽트

◆ 프로세스(process) : 현재 실행되는 프로그램

프로그램 마다 코드, 데이터, 스택 공간을 각각 가짐.

커널도 프로그램이므로 독립적인 코드, 데이터, 스택 공간을 가짐.

커널의 코드: CPU, 메모리 등의 자원 관리 + 사용자 인터페스 제공 + 시스템 콜 및 인터럽트

커널의 데이터: 프로세스의 상태, CPU 사용 정보, 메모리 사용 정보를 유지하기 위한 자료구조인 PCB 블록

커널의 스택 : 프로세스 별로 별도 스택. 커널은 공유 코드로 모든 사용자 프로그램이 시스템 콜을 통해 커널의 함수를 접근할 있기 때문에 일관성을 유지하기 위함.

4.4 사용자 프로그램이 사용하는 함수

1) 사용자 정의 함수: 프로그래머가 작성한 함수

2) 라이브러리 함수: 프로그래머가 직접 작성하지 않았지만 누군가가 작성한 함수

1)과 2)는 컨파일시 프로그램의 코드 부분에 기계어로 삽입 -> 프로세스의 주소 공간에 포함됨.

3) 커널 함수: 운영 체제 커널의 코드에 정의된 함수. 시스템 콜 함수 + 인터럽트 처리 함수. 커널의 주소 공간에 위치

4.5 인터럽트

CPU는 PC 지점의 서비스 이후 인터럽트 라인이 세팅되었는지 확인

타이머 인터럽트 : 특정 프로세스가 CPU 독점하는 것 방지

◆ 트랩(trap): 소프트웨어가 발생시키는 인터럽트

1)예외 상황(exception): 프로그램이 허용되지 않은 연산을 할때. ex: 0으로 나누는 연산, 주소 공간을 넘어서는 메모리 참조. 인터럽트 처리 루틴처럼 운영체제의 코드 영역에 처리 루틴 존재

2) 시스템콜: 사용자 프로세스가 운영 체제의 서비스를 요청하기 위해 커널의 함수를 호출하는 것. 인터럽트 라인 세팅.

◆ 인터럽트 벡터: 인터럽트 발생시 처리해야할 루틴의 주소를 보관하는 테이블

◆ 인터럽트 핸들러: 실제 인터럽트를 처리하기 위한 루틴. 인터럽트 서비스 루틴.

인터럽트 처리 뒤엔 인터럽트 발생 직전 시의 프로세스에게 CPU 제어권이 넘어감.

타이머 인터럽트인 경우, 발생 직전의 프로세스에게 넘어가지 않음.

4.6 시스템 콜

모드비트가 0 : 커널모드

모드비트가 1 : 사용자 모드

CPU는 매 시점 명령을 수행하기 이전에 모드 비트 체크.

운영체제가 사용자 프로그램에게 CPU의 제어권을 넘길때는 모드 비트를 0에서 1로 바꿔서 넘김.

시스템 콜: 사용자 프로그램에서 특권 명령 수행 필요시 운영체제에게 대행 요청

예: 디스크에서 데이터 읽기

1) 프로세스가 인터럽트 라인 세팅

2) 운영체제가 인터럽트 확인 -> 해당 서비스 루틴으로 이동

3) 디스크 컨트롤러에게 파일 읽기 명령

4) 그 동안 다른 프로세스 처리

5) 디스크 컨트롤러의 인터럽트

6) 처음에 데이터 읽기 요청한 프로세스를 큐에 삽입

CPU를 선점당하는 경우

1) 타이머에 인한 인터럽트

2) 시스템 콜.

4.7 프로세스의 상태

실행: CPU를 할당 받고 기계어 명령을 수행하는 프로세스의 상태

준비: CPU를 할당 받으면 바로 실행할 수 있지만 CPU가 하나라서 아직 할당받지 못한 상태

봉쇄: CPU를 할당받더라도 명령을 수행할 수 없는 프로세스 상태. 예: 입출력 작업이 완료되기를 기다리는 상태

준비 -> 실행: 실행 상태의 프로세스가 봉쇄로 바뀌거나, 타이머 인터럽트에서 CPU 할당 시간 만료

준비 큐(ready queue)로 관리(준비 큐에 프로세스를 할당하는 방법 - CPU 스케줄링)

자원 별로 큐 존재. 예: 디스크 입출력 큐, 키보드 입출력 큐, 공유 데이터에 대한 접근. HW. SW 큐.

디스크 입출력 큐에 서있다가 -> 순서대로 작업 -> 완료 되면 디스크 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트 발생-> 프로세스가 CPU의 준비 큐로 이동

SW의 경우 자원부족보다는 일관성을 위해 접근 권한을 제한하는 것

4.8 프로세스의 실행 상태(running)

1) 사용자 모드에서의 실행 상태(user mode running)

2) 커널 모드에서의 실행 상태(kernel mode running): 시스템 콜 + 인터럽트.

커널 모드에서의 실행 상태도 프로세스의 실행 상태임. 커널은 대행일 뿐.

Path sum

https://leetcode.com/problems/path-sum-iii/

given binary tree with integer value,

find the number of paths that sum to a given value.

Path does not need to start from the root.

solution:

Use partial sum

각 노드에 도착할 때마다,

노드에 도착할때까지 필요한 partial sum에  노드의 value를 추가하고

given value와 일치하는 partial sum이 있는지 확인한다.

leaf에서만 확인하는 경우, 경로가 중복해서 count 될 수 있다!

인터럽트(interrupt)

인터럽트 벡터(interrupt vector)

인터럽트의 종류에 따라 handler 코드를 가리키는 포인터를 가진 자료구조.
인터럽트 종류마다 번호가 정해져있다.


인터럽트 번호
- linux
0 ~ 31 : 예외상황
32 ~ 47 : 하드웨어 인터럽트
128 : 시스템콜

- BIOS
0 ~ 7 : 예외상황
8 ~ 19 : 하드웨어 인터럽트
10, 13 ... : 시스템 콜

linux와 BIOS의 인터럽트 번호 중 겹치는 번호가 존재한다.
리눅스는 로딩이 되면 BIOS의 인터럽트 번호를 제거하고 linux의 인터럽트 번호를 설정한다.

인터럽트 핸들링(interrupt handling)

인터럽트가 발생했을 때 처리하는 것.
커널의 코드를 수행하는 것이므로 커널의 스택을 이용한다.
n개의 프로그램 -> n개의 독립 공간 존재

( 참고 )
스택 : 다른 함수를 호출했을 때, 돌아가야할 주소를 저장하는 자료구조 
데이터 : 전역 변수 등 프로그램이 사용하는 각종 데이터가 저장되는 곳 
코드 : 프로그래머가 작성한 코드가 기계어 형태로 저장되는 곳 

처리 과정

1) 현재까지 수행한 것을 PCB(Proces Control Block)에 저장한다.
2) 인터럽트 처리 루틴으로 와서 커널 코드 수행 
3) 인터럽트가 발생한 지점으로 돌아감 

* 인터럽트 중 인터럽트 발생은 허용되지 않는다.
하지만 우선순위가 높은 인터럽트가 발생하는 경우
커널 스택에 저장하고 우선 순위가 높은 것부터 처리 

인터럽트의 종류

1) 하드웨어 인터럽트(hardware interrupt) : 하드웨어 장치가 CPU에게 서비스를 받아야하는 경우 
2) 소프트웨어 인터럽트(software interrupt) :  예외 처리(메모리 침범, 0으로 나누는 연산 등), 시스템 콜 

입출력 처리 방법

1) 동기
- 입출력이 완료된 다음에 CPU를 다른 프로그램에 양도하는 방식 
- 비효율적이다
- 다른 프로그램에 양도하는 경우, 장치별로 큐를 두어 다수의 입출력 연산을 순서대로 처리하도록 한다.

2) 비동기 
입출력 연산을 요청한 뒤, CPU 제어권이 연산을 호출한 프로그램에 부여하는 방식 

DMA(Direct Memory Access): 

CPU이외에 메모리 접근이 가능한 장치
일종의 컨트롤러 
원래는 주변 장치들이 메모리에 접근하기 위해서는 CPU에 인터럽트를 발생시켜 CPU가 로컬 버퍼와 메모리 사이에서 데이터를 옮겨준다.
비효율적 
주변 장치들에 의해 자주 인터럽트 되는 것을 방지 
바이트 대신 블록 단위로 메모리를 읽은 뒤 CPU에 인터럽트. 
인터럽트의 빈도를 줄임. 

메모리 

1) 주기억 장치 
메모리 휘발성, RAM 

2) 보조기억 장치 
비휘발성 
- 파일 시스템용 
- 메모리의 연장 공간인 스왑 영역(swap area) 
프로그램 중 지금 사용하지 않는 부분을 저장하는 것 
swap out : 디스크에 내려 놓는 일 
하드 디스크가 주로 이용됨 

하드웨어 보안 

모드비트(mode bit) : 사용자 프로그램이 커널 모드에서만 사용할 수 있는 연산을 하는 것을 방지하기 위한 감시 장치 
CPU는 보안 관련 명령 이전에 항상 모드 비트를 확인. 
사용자 프로그램에 CPU의 제어권을 넘길 때는 1로 세팅 
인터럽트 발생시 다시 0으로 리셋됨. 

3.10 메모리 보안 

접근하는 메모리 영역이 합법적인가 확인하는 두 개의 레지스터 
1) 기준 레지스터 : 가장 작은 주소 
2) 한계 레지스터 : 범위 
사용자 모드에서는 두 레지스터를 이용하여 주소 범위 체크 
커널 모드에서는 무제한 접근 

3.11  CPU 보호

한 프로그램의 독점을 막기 위해 타이머(timer) - 하드웨어 사용 
정해진 시간이 지나면 인터럽트 발생 -> 운영체제에 CPU 제어권 넘김 
1씩 감소해서 0이 되면 timeout


참고 : https://rusy.tistory.com/entry/인터럽트interrupt

1. CPU 관리

1) FCFS(First Come First Serve)

2) 라운드 로빈(Round Robin):

   한 번에 고정된 시간을 할당하여 처리.

   짧은 프로그램이 기다릴 필요 X

3) 우선순위(priority)

2. 메모리 관리

효율적인 할당 및 보안(메모리 영역 침범 방지)

1) 고정 분할(fixed partition)

   물리적 메모리를 몇 개의 영구 메모리로 분할.

   메모리 조각보다 큰 프로그램 적재 X

  ◆ 내부 조각(internal fragmentation) : 분할의 크기보다 작은 프로그램이 적재되는 경우

2) 가변 분할(variable partition)

    메모리 조각보다 큰 프로그램 적재 X

    내부 조각 발생 X

  ◆ 외부 조각(external fragmentation) : 크기가 작아 프로그램에 할당될 수 없는 영역

3) 가상 메모리(virtual memory)

물리 메모리보다 큰 프로그램 실행 가능

0에서 시작하는 가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 mapping.

  ◆ 스왑 영역(swap area) : 프로그램 실행시 프로그램 전체가 필요한 것이 아니므로, 필요한 일부만 메모리에 적재.

나머지는 하드디스크와 같은 보조 기억 장치에 적재. 

  ◆ 페이징(paging) : 동일한 단위로 메모리를 나누는 기법

3. 주변 장치 및 입출력 장치 관리

  ◆ 인터럽트(interrupt) : CPU의 서비스가 필요한 경우 CPU에게 보내는 신호

  ◆ 인터럽트 처리 루틴 : 인터럽트 발생시 처리 작업을 정의한 코드

  ◆ 컨트롤러(controller) : 주변 장치에 존재하는 작은 CPU.

                                  장치 관리 및 메인 CPU에 인터럽트 발생

운영체제(Operating System; OS)

컴퓨터 하드웨어 바로 윗단에 설치되는 소프트웨어

커널(kernel)

운영체제 중 항상 메모리에 상주하고 있는 부분

운영체제 전체가 메모리에 동시에 올라가기에는 용량이 너무 크기 때문에 일부만 상주한다.

운영체제의 기능

1) H/W : 시스템 자원 관리 (사용자가 알기 힘든 하드웨어 관리)

• 효율성
• 형평성 : 일부 프로그램/사용자에 몰리면 안됨

2) 사용자에게 편리한 인터페이스 제공

3) 보안

운영체제의 분류

1) 동시 작업

- 시분할 시스템(time sharing system) : CPU의 작업 시간을 나누어 쓰는 시스템

- 다중 프로그래밍 시스템(multi-programming system; 멀티프로그래밍) : 메모리 공간을 나누어 사용하는 시스템. 동시에 여러 프로그램이 메모리에 올라옴.

- 다중처리기 시스템(multi-processor system; 멀티프로세서): 하나의 컴퓨터에 여러개의 CPU

2) 작업 처리 방식

- 일괄 처리(batch processing)

- 시분할(time sharing)

- 실시간(real time)