Seungho Jeong

Backend Problem Solver (feat. Python)

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컴퓨터 시스템의 구조는 아래 이미지와 같다. 아래의 이미지를 염두하고 이해하면 좋다.

컴퓨터 시스템의 구조도

CPU(Central Processing Unit)

저장장치에 있는 코드를 불러와서 수행하거나 외부 장치로부터 입력을 받거나 출력하는 기능을 한다. 인간의 신체 기관으로 비유하면 뇌에 해당한다.

컴퓨터 시스템을 통제하고 프로그램의 연산을 실행하고 처리하는 가장 핵심적인 컴퓨터의 제어 장치, 혹은 그 기능을 내장한 칩을 말한다. 컴퓨터 안의 중앙 처리 장치(CPU)는 외부에서 정보를 입력 받고, 기억하고, 컴퓨터 프로그램의 명령어를 해석하여 연산하고, 외부로 출력하는 역할을 한다.[wikipedia]

CPU의 역할은 매 클럭 사이클마다 메모리(Memory, 주기억장치)의 인스트럭션(Instruction, 기계어)을 읽어서 수행하는 것이다. CPU 내에는 메모리보다 속도는 빠르면서 용량은 작은 레지스터(Registers)가 있는데 이 중 PC(Program Counter)[1]가 가리키고 있는 메모리의 주소에서 인스트럭션을 순차적으로 불러와서 수행한다.

보통 PC의 메모리 주소를 순차적으로 가지고 오지만 항상 그런 것은 아니고 함수 호출(Function call)이나 조건문(If Statement) 불일치 등 주소(번지)를 점프해야 하는 상황이 생기면 메모리 주소를 점프한다.

또한 인스트럭션을 종료할 때마다 인터럽트 라인(Interrupt line)을 체크하는데 만약 인터럽트가 들어오면 CPU를 누가 쓰고 있었던 간에 제어권이 OS(Operating System, 운영체제)에게 넘어간다.

인터럽트(Interrupt)

인터럽트(Interrupt)는 소프웨어적 인터럽트와 하드웨어적 인터럽트로 나뉘는데 보통 하드웨어적인 것을 부를 때 사용한다. 참고로 소프트웨어적 인터럽트는 보통 트랩(Trap)이라고 호칭하며 종류로는 시스템 콜(System call)과 예외처리(Exception) 등이 있다. 시스템 콜에 대한 내용은 후술하겠다.

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다. 인터럽트가 들어오면 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program counter를 저장한 뒤 CPU의 제어권을 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine)[2]에 넘긴다. 이 때 어떤 인터럽트가 들어왔는지에 따라 어떤 함수(주소)로 보내야 하는지 정의해 놓은 것을 인터럽트 벡터(Interrupt Vector)라고 한다.

메모리(Memory)

CPU의 작업공간을 말한다. OS(Kernel)가 상주하고 있으며 프로그램이 실행되면 프로세스가 이곳에 적재(Load)되어 필요하지 않을 때 까지 상주한다.

디바이스 컨트롤러(Device controller)

각 입･출력 디바이스(Input/Output Device) 장치를 제어 및 관리하는 일종의 작은 CPU이다. (디바이스 드라이버[3] 와는 다르다.)

외부 장치(I/O Device)의 입･출력 속도는 CPU의 처리 속도에 비해 매우 느리기 때문에 CPU와 동기적으로(Synchronous) 동작하면 입력 또는 출력이 완료되기 까지 CPU가 디바이스를 기다려야 하므로 CPU의 효율이 많이 떨어질 수 있다. 디바이스 컨트롤러는 이를 극복하기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러에는 제어 정보를 담기 위한 레지스터(Registers)[4]와 입･출력 데이터를 담기 위한 로컬 버퍼(Local buffer)가 있다. 각 디바이스의 입･출력이 종료되면 디바이스 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트로 그 사실을 알린다. 인터럽트가 들어오기 전까지 CPU는 다른 인스트럭션을 처리하면 되기 때문에 컴퓨팅 자원 이용의 효율성이 좋아진다.

그런데 만약 키보드 입력 한 글자(Byte 단위) 마다 인터럽트가 보낸다면 어떻게 될까? 처리속도가 높은 CPU는 잦은 방해(인터럽트)를 받을 것이고 시간 대비 수행 효율이 떨어질 것이다.

이를 방지하기 위하여 DMA 컨트롤러(Direct Memory Access Controller)를 둔다. DMA 컨트롤러가 있으면 매 입력 또는 출력마다 인터럽트를 넣지 않고 입･출력 데이터를 DMA 컨트롤러가 직접 메모리에 저장한다. 그리고 일정량의 정보(Block 단위)가 채워지면 인터럽트를 발생시킨다. 이는 CPU 자원의 오버헤드를 낮춘다.

입･출력(I/O, Input/Output)의 수행

시스템 콜(System call)

사용자 프로그램은 악의적인 프로그램이나 코드가 있을 수 있다. 따라서 보안상 직접 디바이스에 접근할 수 없도록 되어 있으며 입･출력이 필요하면 운영체제에게 요청하여 도움을 받아야 한다.

시스템 콜(System call)은 사용자 프로그램이 입･출력이 필요할 때 운영체제의 함수를 호출하는 것을 의미한다. 어렵게 생각할 필요없이 말 그대로 시스템을 콜하는 것이다.

사용자 프로그램이 입･출력이 필요하면 자발적으로 소프트웨어적인 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 제어권을 넘기는데 이를 트랩(Trap)이라고 한다. 운영체제는 트랩이 들어오면 해당 요청이 올바른 요청인지 확인한 뒤 입･출력을 수행하고 입･출력 완료 시 제어권을 시스템 콜의 다음 명령으로 옮긴다.

모드 비트(Mode bit)

CPU 제어권을 운영체제가 갖고 있는지, 사용자 프로그램이 갖고 있는지 구분한다.

악의적인 사용자 프로그램이나 코드, 또는 사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램이나 운영체제에 피해갈 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 존재한다.

모드 비트 ‘1’은 사용자 모드를 의미한다. 한정된 인스트력션만 수행 가능하고 주소 이동도 자신의 메모리 주소 영역에서만 이동이 가능하다. 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에는 항상 모드 비트를 ‘1’로 세팅한다.

모드 비트(Mode bit) ‘0’은 커널 모드(Kernel mode)[5]를 의미한다. 실행 가능한 모든 기계어를 수행 가능하며 입･출력도 이때만 가능하다. 사용자 프로그램 실행 중 인터럽트가 들어오거나 예외가 발생하면 모드 비트가 ‘0’으로 바뀐다.

타이머(Timer)

무한 루프가 동작하면 CPU 제어권이 무한 루프를 실행시킨 프로그램에게 고정된다. 이와 같이 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막기위해 부착된 하드웨어이다.

특정 프로그램에 CPU를 넘길 때 타이머를 세팅(예: 100 ms)하고 넘기고 세팅 시간을 초과[6]하게 되면 CPU에 인터럽트를 걸어서 사용자 프로그램으로부터 OS로 제어권을 뺏어온다. 이러한 특징을 이용하면 운영체제가 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 분배할 수 있다. 운영체제의 타임 쉐어링(Time sharing)을 구현할 때 이용한다.

부가적인 기능으로 현재 시간을 계산할 때 사용되기도 한다.

마치며

마지막으로 위의 내용을 머릿속으로 정리하며 컴퓨터 시스템의 구조를 보자.
전반적인 그림을 그리는데 도움이 될 것이다.

컴퓨터 시스템의 구조도

각주

1 : 프로그램을 실행할 메모리의 다음 주소를 가리키고 있으며 보통 4 Byte.
2 : 각 인터럽트 시 무슨 일을 해야하는지 정의해 놓은 커널 함수. ( = ~Handler)
3 : Device Driver, 운영체제 코드 중 장치별 처리루틴. 디바이스가 어떤 일을 할 수 있는지 알려주는 코드.
4 : Control register, Status register.
5 : 모니터 모드(Monitor mode) 또는 운영체제 모드(OS mode)라고도 함.
6 : 매 클럭 틱마다 1씩 감소, 0이 되면 인터럽트 발생.

Reference

반효경, “반효경 [운영체제] 3. System Structure & Program Execution 1” KOCW. 2014년 3월 11일. video, http://www.kocw.net/home/cview.do?lid=36f314da6dc42576


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