[운영체제] 컴퓨터 구조 및 운영체제 개요 / Kernel / System Call

 

 

 

운영체제(Operating System)란?

- 컴퓨터 하드웨어(CPU, IO장치, 메모리) 위에 컴퓨터 소프트웨어가 수행되도록 관리해주는 소프트웨어

- 프로그램이 하드웨어를 몰라도 쉽게 사용할 수 있도록 인터페이스 제공 -> 시스템 콜

- CPU와 같은 하드웨어가 효율적으로 사용되도록 관리

- 하드웨어 내부에서 데이터를 주고 받는 통로 - BUS 

 

1) System controller (north Bridge)

- CPU, 메모리(DRAM), 그래픽 카드(AGP)

- memory controller hub (MCH)

- 매우 빠른 속도가 요구됨

- AGP Bus, Memory Bus

 

2) Pheripheral Bus (South Bridge)

- I/O Controller Hub

- LAN, USB, 키보드 등등 비교적 느린 속도

 

 

 

System Call

1. System call의 개념

https://fjvbn2003.tistory.com/306

시스템 호출(system call)은 운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해, 

응용 프로그램(=application)의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스

C나 C++과 같이 고급 언어로 작성된 프로그램들은 직접 시스템 호출을 사용할 수 X

-> 고급 API를 통해 시스템 호출에 접근하게 하는 방법

 

유저 레벨의 프로그램은 유저 레벨의 함수들 만으로는 많은 기능을 구현하기 힘들기 때문에,

커널(kernel)의 도움을 반드시 받아야 한다.

그러나 응용프로그램으로 대표되는 유저 프로세스(User Process)에서 유저모드에서는 커널을 수행할 수 없다.

kernel에 관련된 것은 커널 모드로 전환한 후해당 작업을 수행할 권한이 주어짐

이때, 커널 모드를 통한 작업은 반드시 시스템 콜을 통해 수행하도록 설계되어 있다.

 

그렇다면 권한은 왜 필요한 것일까?

그 이유는 해커가 피해를 입히기 위해 악의적으로 시스템 콜을 사용하는 경우

Or 사용자가 임의로 함수를 호출 했을 경우, 시스템 전체를 망가뜨릴 수도 있다. 

따라서 이러한 명령어들은 특별하게 커널 모드에서만 실행할 수 있도록 설계

만약 유저 모드에서 시스템 콜을 호출할 경우 -> 운영체제에서 불법적인 접근으로 판단하여 trap을 발생시킨다. 

 

https://wpaud16.tistory.com/245

+ 사용자가 kernel level로 바로 접근하면 여러 문제가 발생할 수 있으니 하나의 안전장치

+ 시스템 콜은 user mode에서 kermel mode로 들어가는 것

+ 시스템 콜을 이용하기 위해 대부분 API를 사용한다. API를 쓰는 이유는 이식성 때문이다.
사용하는 곳마다 시스템 콜을 하는 환경이 다를 텐데 API는 인자만 반환해주면 간단하기 때문

 

시스템 콜은 어떻게 구현될까?

• 먼저 각각의 system call은 번호(index)를 할당받는데
  table이라는 곳에서 indexed 되어 할당된다.
• system call interface(시스템 콜 핸들러)는 할당된 번호에 맞는 index를 찾아서 실행하고
  다시 반환한다.
• 시스템 콜과 mapping 되는 table은 컴퓨터 구조에 따라 다를 수 있다.

 

 

 

2. 시스템 콜의 유형

 

시스템 호출이란 프로그래밍 언어에서 지원하지 않는 기능에 대하여 운영 체제의 루틴을 호출하여 이용하는 것을 말한다. 

 

시스템 호출의 세 가지 기능

1. 사용자 모드에 있는 응용 프로그램이 커널의 기능을 사용할 수 있도록 한다. == 인터페이스
2. 시스템 호출을 하면 사용자 모드에서 커널 모드로 전환한다.
3. 커널에서 시스템 호출을 처리하면, 커널 모드에서 사용자 모드로 돌아가 작업을 계속한다.

 

시스템 호출의 유형

1. 프로세스 제어(process control)
2. 파일 조작(file manipulation)
3. 장치 관리(device management)
4. 정보 유지(information maintenance)
5. 통신(communication)

 

 

https://luckyyowu.tistory.com/133

시스템 콜은 다섯 가지의 중요한 범주로 나눌 수 있다.
프로세스 제어, 파일 조작, 장치 조작, 정보 유지보수, 통신과 보호.
여기서는 각 범주들에 어떠한 기능들이 있는지만 간략하게 살펴본다. 

 

2.4.1 프로세스 제어(Process Control)

• 끝내기(end), 중지(abort)
• 적재(load), 실행(execute)
• 프로세스 생성(create process)
• 프로세스 속성 획득과 설정(get process attribute and set process attribute)
• 시간 대기(wait time)
• 사건 대기(wait event)
• 사건을 알림(signal event)
• 메모리 할당 및 해제 : malloc, free

 

2.4.2 파일 조작(File Manipulation)

• 파일 생성(create file), 파일 삭제(delete file)
• 열기(open), 닫기(close)
• 읽기(read), 쓰기(write), 위치 변경(reposition)
• 파일 속성 획득 및 설정(get file attribute and set file attribute)

 

2.4.3 장치 관리(Devide Management)

• 장치를 요구(request devices), 장치를 방출release device)
• 읽기, 쓰기, 위치 변경
• 장치 속성 획득, 장치 속성 설정
• 장치의 논리적 부착(attach) 또는 분리(detach)

 

2.4.4 정보 유지(Information Maintenance)

• 시간과 날짜의 설정과 획득(time)
• 시스템 데이터의 설정과 획득(date)
• 프로세스 파일, 장치 속성의 획득 및 설정

 

2.4.5 통신(Communication)

• 통신 연결의 생성, 제거
• 메시지의 송신, 수신
• 상태 정보 전달
• 원격 장치의 부착 및 분리

 

 

 

3. 구체적인 시스템 콜의 과정

https://ko.wikipedia.org/wiki/시스템_호출

+ 사진 자료 - 구체적인 시스템 콜의 과정

다음과 같은 절차로 응용 프로그램 함수가 커널의 함수와 연결된다:

1. 응용 프로그램에서 open(...) 함수를 실행하면
   libc에서 제공한 open 함수 속에서 인수 데이터를 register에 넣고,
   software interrupt(trap) 실행
2. trap에 의해 ISR(Interrupt Service Routine: 인터러)이 있는 커널의 인터럽트 처리 위치를 찾아 해당 주소로 실행을 옮긴다.
   이때 CPU는 권한수준이 최고 수준인 실행 모드(kernel mode)가 된다.
   CPU의 인터럽트 메커니즘에 의해 자동 변환된다.
3. 많은 시스템 호출 함수 중에 해당 인터럽트 벡터 숫자(인터럽트 넘버)를 이용해 함수의 위치를 탐색하고 해당 주소로 점프
   커널 속의 장치 목록에서 해당 장치를 찾고, 드라이버의 함수 .open에서 정의된 mydrv_open(...)가 호출됨.
4. mydrv_open()함수의 return에 따라 커널의 함수 호출이 완료되고,
   커널은 다시 해당 응용 프로그램을 스케줄링에 의해 활성화하고 해당 프로세서로 전환한다.
   이때 CPU의 권한수준은 다시 사용자 모드로 전환된다.

 

만약 write 함수나 read 함수의 호출에 의해, 커널의 함수가 호출된 후 return에 의해 종료되지 않으면

응용 프로그램은 스케줄링에서 빠져 커널의 상태에서 머물면서 블럭킹 현상이 발생한다.
해당 드라이버의 인터럽트 등으로 블럭킹을 해제할 수 있다. 

 

 

 

4. System call vs Library call

https://coding-chobo.tistory.com/31

 

System Call과 Library Call의 주요 차이점

System Call: 커널에 대한 Resource Access 요청이고,

Library Call: 프로그래밍 라이브러리에 정의된 함수에 대한 요청

 

커널은 System Call 제공, 프로그래밍 라이브러리는 Library Call 제공

 

1. System call

컴퓨터 시스템에는 Kernel Mode와 User Mode의 두 가지 모드가 있습니다. 

Kernel Mode에서 프로그램은 메모리 및 하드웨어 리소스에 직접 액세스 할 수 있습니다. 

+ User Mode에서 프로그램은 메모리 및 하드웨어 리소스에 직접 액세스 X

 

대부분의 프로그램은 User Mode에서 실행됨

프로그램에 메모리나 하드웨어 리소스가 필요한 경우 -> System Call을 사용하여 커널에 요청

-> 모드가 User Mode에서 Kernel Mode로 전환되고, 

작업이 끝나면, 모드가 Kernel Mode에서 User Mode로 다시 바뀝니다. 

: 이러한 모드 전환을 Context Switching

UNIX 시스템에서 두 가지 System Call 예를 들어 보겠습니다.
- fork() : 기존 프로세스를 유지하면서 새 프로세스를 작성하는 데 사용됩니다.

               특정 프로세스가 fork()를 호출하면 프로세스의 사본이 작성됩니다.

               따라서 두 가지 프로세스가 있습니다.

               하나는 Parent 프로세스이고 작성된 새 프로세스는 Child 프로세스입니다.

- exec() : 새 프로세스를 작성하고 종료 프로세스를 새 프로세스로 바꿉니다.

                따라서 exec()를 호출하면 새 프로세스 만 존재합니다.

                즉, System Call을 수행 한 프로세스가 파괴됩니다.

 

2. Library Call

Library Call은 프로그래밍 라이브러리에서 제공하는 기능을 사용하도록 요청합니다.

프로그래머가 특정 Library Call을 사용하는 경우 먼저 관련 라이브러리를 가져와야 합니다.

C 프로그래밍에서 프로그래머는 프로그램에 헤더 파일을 포함시켜 라이브러리 함수를 호출 할 수 있고,

전처리기 지시문 (#include)을 사용하여 헤더 파일을 포함시켜 사용할 수 있습니다.

헤더 파일에 예를 들면, stdio.h 헤더 파일에는 입력 및 출력 조작을 수행하는 다양한 기능이 포함됨

fopen()은 파일을 여는데 사용되는 반면, fclose()는 파일을 닫는데 사용됩니다.

printf() 기능은 형식화 된 출력을 표준 출력 장치로 보낼 수 있고, scanf() 기능은 표준 입력 장치에서 형식화 된 입력할 수 있습니다.

또한 "math.h"헤더 파일에는 수학 연산을 수행하는 기능이 포함되어 있습니다. 

"time.h"헤더 파일에는 시간 및 데이터 계산을 수행하는 기능이 있습니다. 

"string.h"헤더 파일에는 문자열 조작을 수행하는 기능이 있습니다.

 

3. System Call과 Library Call 차이
System Call은 자원에 Access하기 위해 프로그램이 커널에 커널 모드를 요청

Library Call은 프로그램이 프로그래밍 라이브러리에 정의 된 기능에 Access 하기 위한 요청

- UNIX / LINUX의 Manul은 명령어 man(manual)을 통해서 제공되고 있으며, 

manual의 영역에 따라 Section 번호를 제공합니다. 

System Call은 Section 2번을 사용하고, Library Call은 Section 3번을 사용합니다.

 

+ read() / write() 및 fread() / fwrite() 비교
Library Call을 사용하더라도, 내부적으로 System Call을 사용합니다.

fread() / fwrite()의 경우 내부적으로 Buffer에 데이터을 쌓았다가 일정 크기 이상이 되면 read() / write()를 실행합니다. 

 

read() / write() 같은 System Call을 사용하는 것보다

 fread() / fwrite() 같이 Library Call을 사용함으로써,

System Call의 호출 빈도가 확연하게 줄어드는 것을 알 수 있습니다.

 

 

 

 

Kernel 커널이란? 

 

- 메모리에 상주하여 항상 실행되는(== 살아있는) 프로그램

- 커널 + 시스템 프로그램 -> 운영체제

- 운영체제에서 핵심이 되는 프로그램, 시스템의 모든 것을 통제한다.

- 운영체제의 다른 부분 및 Application 수행에 필요한 여러가지 서비스 제공

- 커널의 역할 

- 1) 보안 - 컴퓨터 하드웨어와 프로세스의 보안 책임

- 2) 자원 관리 - 한정된 시스템 자원을 효율적으로 관리한다. ex) 프로세스에 CPU 할당하는 스케줄링 

- 3) 추상화 - 운영 체제의 복잡한 내부 구조를 감추고, 인터페이스를 하드웨어에게 제공 

 

 

 

CPU의 구조

- ALU - 산술 논리 연산 장치 -> 산술 & 논리 연산자 

- CU - 제어유닛, control unit -> 데이터를 주고 받는 것

- MMU - memory management unit -> virtual memory 관리

 

Registers

- PC - program counter -> 실행시킬 명령어의 메모리 번지

- IR - instruction register -> 수행할 명령어

- SP - stack pointer -> stack's top을 가리킴

- PSW - program status word - 현재 CPU의 상태

- General Purpose registers (더하기, 곱하기 등 임시적으로 저장)