[운영체제] 1. 운영체제와 컴퓨터, 인터럽트, 시스템콜과 modebit

운영체제의 4가지 역할

후리장난감공장이 있다.
관리자 이름은 운영체제고, 일꾼은 CPU, 보조일꾼은 DMA 컨트롤러다.
공장부지는 메모리라고 한다.
일꾼의 뇌는 제어장치이며, 일꾼은 계산할 때 산술논리연산장치로 한다.

1. CPU의 스케줄링과 프로세스 관리
cpu의 소유권을 어떤 프로세스에게 할당할 거고, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당과 반환을 관리한다.
ex. 넷플릭스 실행 버튼을 눌렀을 때, 넷플릭스가 실행되는 그 과정 속에서 cpu 소유권을 넷플릭스에게 넘겨주는 관리자가 운영체제
- 먼저 들어왔다고 먼저 할당해줄까? 아니겠지?

2. 메모리 관리
한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당하는가 / 효율적인 관리
메모리라고 할 때, 우리는 보통 주메모리 RAM을 말하는 것인데 이 한정된 메모리를 관리한다.
SSD - 보통 1TB, 2TB 정도 되는데, 1TB의 모든 프로그램이 작동하면 32GB로는 턱없이 부족하다.
이걸 관리하려고, swap, page fault 등이 있다~
- 1/n씩 할당해줄까? 공평한 할당은 좋을까? 아니겠지?
- 그렇다면, 어떤 프로세스를 메모리에서 쫓아낼까? 어떤 기준으로?

3. 디스크 파일 관리
디스크 파일을 어떻게 보관할지 관리한다.
- 조각조각? 연속적으로?

4. I/O 디바이스 관리
마우스, 키보드와 컴퓨터들 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리
즉, 상대적으로 느린 입출력 디바이스들과 빠른 CPU 간 어떻게 정보를 주고 받을 수 있는지를 관리

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운영체제의 구성

운영체제는 GUI, 시스템콜, 커널(운영체제의 중추역할), 드라이버를 말한다.
즉, 하드웨어 바로 윗단에 설치되어 있는 소프트웨어를 운영체제라고 말한다.

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1. GUI : 단순 명령창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용하게 하는 것
cmd 말고~

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2. system call ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️
: 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것 && 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스

사용자 프로그램이 I/O 요청으로 트랩이 발동하면
올바른 I/O 요청인지 확인한 후에 사용자(유저) 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
ex. fs.readFile() 이라는 파일 시스템의 파일 읽는 함수가 발동 시에, 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 시스템 콜을 통해 커널 모드로 돌아가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 유저 프로그램의 로직을 수행한다.

장점 : 유저 모드에서 모든 곳에 접근이 가능하다면 보안에 취약하게 되는데 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

시스템콜이라는 추상화계층이 없으면, lowlevel 단의 작업을 우리가 처리해줘야 한다.
fs.readfile 함수 한 줄로 인해 쉽게 읽을 수 있는 것
만약 이게 없잖아? 그러면 내가 python이라는 언어를 쓴다고 해서 fs.readfile()이라는 함수를 모든 OS에 적용할 수 없다는 것임
맥인 경우, 윈도우인 경우 다 대응해서 알고 있어야 되는 것임..;;; 댕미친..;

* modebit ⭐️⭐️⭐️
시스템 콜이 작동 시에 modebit이라는 플래그 변수를 통해 유저 모드(1) / 커널 모드(0)를 구분한다.
유저 모드를 기반으로 I/O 디바이스가 작동하면 -> 다른 사용자가 내 카메라를 켜는 미친짓이 발생할 수 있음;

1 -> 0 : 유저 모드 -> 커널 모드 (그 반대는 0 -> 1)

커널모드에서는 모든 명령을 실행할 수 있다. = 특권 명령

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3. 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

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4. CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

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컴퓨터의 구조

(소프트웨어 관점에서) 컴퓨터 구조는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스컨트롤러 ....

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- DMA Controller (Direct Memory Access Controller) : I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
CPU가 일꾼인데, DMA가 보조 일꾼으로 역할함, 둘이 작업을 같이 하는 것은 아니며, CPU가 담당을 하면 DMA는 빠짐

CPU가 인터럽트가 너무 자주 걸리면 속도가 너무 느려지잖아
(보통 I/O 디바이스가 인터럽트를 걸겠지.
왜냐면, DMA Controller는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치니까.)
일을 시작하려고 하면 Interrupt가 발생하고, 이런 과정이 반복되어서 제대로 일을 못하는 상황이 발생하게 되는데 이를 해결하기 위한 방안으로 DMA Controller가 있다.

어케 해결하냐?
CPU 대신 I/O 디바이스의 local buffer에 접근해 버퍼 내부 데이터를 카피해서 메모리에 카피하는 작업을 하고,
카피 다 하면 인터럽트를 한 번 걸어서 CPU에게 알림

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- Memory : 전자회로에서 데이터나, 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
CPU가 계산이면, 메모리는 기억을 담당
CPU가 일꾼이면, 메모리는 작업장을 담당
작업장의 크기가 메모리의 크기라서, 작업장이 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

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- Timer : 몇 초 안에 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
왜 있냐? : 시간이 많이 걸리는 프로그램의 작동을 제한하기 위해!
타이머가 없으면 무한루프 프로그램이 영원히 CPU를 독점할 것임..!

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- Device Controller : 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU
각 I/O 디바이스를 제어하는 역할
그 밑에 작은 메모리를 Local Buffer라고 디바이스의 데이터를 임시로 저장하기 위한 공간

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- CPU : 뇌 🧠 댕중요! ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

운영체자가 관리자라면, 커널을 통해 SDD/HDD에 있는 프로그램을 메모리에 올리면
프로그램이 인스턴스화 되면서 프로세스가 된다.
(프로그램이 실행돼서 돌아가는 상태 : 프로세스)
이때, CPU가 이 메모리에 올라와 있는 프로세스를 처리하면서 프로세스가 동작하게 된다.
(= 인터럽트에 의해 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼)


또한, CPU는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성된 컴퓨터 장치

1. 산술논리연산장치 ALU - Arithmetic Logic Unit
: 덧셈, 뺄셈 같은 숫자의 산술 연산과 논리합/논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

2. 제어장치 CU - Control Unit
: 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품, CPU의 뇌 정도, 댕댕중요
: 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석해 데이터 처리를 위한 순서를 결정

3. 레지스터
: CPU 내의 매우 빠른 임시기억장치, CPU랑 연결돼서 메모리보다 댕빠름.
: CPU는 데이터를 저장할 방법이 없어서 레지스터를 통해 데이터를 전달

CPU의 연산 처리

[CPU의 연산처리]
- 메모리와 레지스터에에 계산할 값을 올림
- HDD -> 메모리 -> 레지스터 단계로 올려지는 것임

디테일하게 말하자면,
CPU의 산술논리연산장치가 메모리에서 레지스터에 올린 값을 계산을 하고, 그 값이 레지스터에 저장되어 있는데 다시 메모리에 올리고, 결과적으로 HDD/SDD에 들어오겠지. 근데 결론적으로 이 모든 걸 제어장치가 관장하는 것임.

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인터럽트 Interrupt

어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 정지시키는 것
프로그램은 명령어로 구성되어 있는데, 인터럽트가 발동이 되면 정지가 되는 것임

1. I/O 디바이스로 인한 인터럽트
2. 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트
3. 프로세스 오류
와 같이 오류로 인한 또는 !오류로 인한 인터럽트가 있다.

인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행이 된다.
인터럽트 간에는 우선순위가 있고, 인터럽트는 하드웨어 / 소프트웨어 인터럽트가 있다.


- 하드웨어 인터럽트 (=Interrupt) : I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트 (키보드나 마우스에 연결)
- 소프트웨어 인터럽트 (=trap) : 프로세스 오류 등으로 예외가 발생(Exception)하거나 프로세스가 시스템 콜 호출 시에 발동
보통 하드웨어 인터럽트를 좁은 의미의 인터럽트라고 함

- 인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생 시에 이를 핸들링하기 위한 함수! 커널 내부의 IRQ를 통해 호출된다. request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.