컴퓨터 구조와 I/O

Computer system

일반적인 컴퓨터 시스템은 CPU, 메모리, 외부 장치(ex. 하드디스크, 키보드, 모니터, 마우스)로 구성된다. CPU와 장치 컨트롤러들은 메모리 사이클을 두고 경쟁하며 동시에 실행된다. 경쟁상황에서 공유하는 메모리에 순차적으로 접근할 수 있도록 메모리 컨트롤러가 메모리에 대한 접근을 제어한다.

장치 컨트롤러: 컴퓨터 내의 각 하드웨어 장치에는 컨트롤러(Controller: 제어기)가 존재한다. 컨트롤러는 일종의 작은 CPU로서, 컴퓨터 전체에 CPU라는 중앙 처리 장치가 있듯이 컨트롤러는 각 하드웨어 장치마다 존재하면서 이들을 제어하는 작은 CPU라고 할 수 있다.
로컬 버퍼: 장치 컨트롤러에는 장치로부터 들어오고 나가는 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 가지고 있다. 이를 로컬 버퍼(local buffer)라고 부른다.
디스크나 키보드 등에서 데이터를 읽어오는 경우, 우선 로컬 버퍼에 데이터가 임시로 저장된 후 메모리에 전달된다. 이 때, 장치에서 로컬 버퍼로 읽어오는 일은 컨트롤러가 담당한다.

Computer system

I/O (Input/Output)

컴퓨터는 목적을 달성하기 위해 CPU/메모리와 외부 장치간에 정보를 주고 받는다. 이를 I/O라고 말할 수 있다.
컴퓨터에서 연산을 한다는 것은 CPU가 무언가 일을 한다는 뜻이다. 입출력 장치들의 I/O 연산은 I/O 컨트롤러가 담당하고, 컴퓨터 내에서 수행되는 연산은 메인 CPU가 담당한다.
Computer system

CPU context

어느 시점에나 CPU의 모든 레지스터 값은 CPU 컨텍스트를 정의한다. CPU 컨텍스트라 하면 프로세스 혹은 스레드에서 사용되는 데이터의 집합으로, 진행중이던 작업을 중단하고 나중에 같은 지점에서 다시 계속할 수 있도록 필요한 내용들을 포함하고 있다.

Dual mode operation

사용자 프로세스에서 운영체제(OS)를 보하하기 위해 하드웨어는 사용자 모드(user mode)커널 모드(kernel mode)라는 두 가지 모드를 제공한다. 두 가지 모드 작동은 CPU가 실행할 수 있는 작업의 유형과 범위에 제한을 둔다. (운영 체제 커널이 사용자 응용 프로그램 프로세스보다 많은 권한을 갖고 있다.)
usermode, kernelmode

System call

사용자 프로그램은 시스템 호출(System call)을 사용해서 운영 체제에게 서비스를 요청한다. 시스템 호출은 특별한 시스템 호출 예외를 사용하여 구현되어 있으며, 시스템 호출은 트랩(trap)이라고도 불린다.

시스템 호출(System call)은 운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해, 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다. 보통 C나 C++과 같은 고급 언어로 작성된 프로그램들은 직접 시스템 호출을 사용할 수 없기 때문에 API를 통해 시스템 호출에 접근하게 하는 방법이다.
하드웨어 제어를 하는 모든 권한을 커널에서 가지고 있기 때문에 파일 시스템 같은 경우 응용 프로그램에서는 직접 제어할 수 없다. 따라서 응용 프로그램에서 하드웨어의 데이터를 가져오거나 쓰려면 커널의 장치 드라이버와 연동되어 실행되어야 한다. 결국 응용 프로그램이 파일 시스템을 이용하려면 커널의 파일 시스템 드라이버로 넘어가 실행되어야 하므로 시스템 호출 방법을 사용한다.

system call

Exceptions and Interrupt

예외(Exception)인터럽트(Interrupt)는 즉각 실행되어야 하는 이벤트를 CPU에게 알리는데 사용된다. 인터럽트는 컨트롤러가 CPU에게 이벤트를 알리기 위해 사용한다.

CPU 옆에는 인터럽트 라인(interrupt line)이 있어서, CPU가 자신의 작업을 하던 중간에 인터럽트 라인에 신호가 들어오면 하던 일을 멈추고, 인터럽트와 관련된 일을 처리한다. 좀더 정확히 CPU는 명령 하나를 수행할 때마다 인터럽트가 발생했는지를 체크하고, 인터럽트가 발생했으면 다음 명령을 수행하기 전에 인터럽트 처리를 하게 되고 그렇지 않으면 다음 명령을 계속 수행하게 된다.

Exception and Interrupt handler

예외 혹은 인터럽트가 발생하면 사용자 모드에서 커널 모드로 실행이 전환된다. 예외 혹은 인터럽트가 처리된 후 다시 사용자 모드로 전환된다.
exception and interrupt handler

조금 더 상세하게는 다음과 같은 과정을 거친다.
interrupt handle detail

  1. 커널에 들어가는 동안 현재 실행중인 프로세스의 컨텍스트(CPU의 모든 레지스터의 값)가 먼저 메모리에 저장된다.
  2. 예외 / 인터럽트를 처리한다.
  3. 복원 및 재개할 프로세스를 선택한다.
  4. 선택한 프로세스의 컨텍스트를 복구한다.
  5. 선택한 프로세스의 실행을 재개한다.

Read string system call design

문자열(String)을 입력받는 System call을 디자인 해보자.

Input buffer & Memory safety

  • 사용자 프로세스가 커널에 저장된 임의의 데이터를 읽을 수 있는 것은 바람직하지 않다.
  • 사용자 프로세스가 입력 버퍼 외부에 데이터를 기록하여 커널을 손상시킬 수 있다. 이를 Buffer overflow라고 한다.
  • 메모리 보안을 위해 사용자 프로세스는 커널 데이터에 읽고 쓸 수 없지만, 커널은 사용자 공간에 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

Buffer pointer

커널은 사용자 공간에서 입력 버퍼에 대한 주소(pointer)를 알아야 한다.

Buffer size

커널은 입력 버퍼의 크기를 알아야하고 버퍼가 꽉 찼을 때 수행 할 작업을 결정해야한다.

Read string system call example

string system call

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