운영체제 프로그램의 구조와 실행

본 내용은 반효경 교수님의 운영체제와 정보의 기술을 보고 정리하였습니다.

1. 프로그램의 구조와 인터럽트

 

프로그램이 cpu에서 명령을 수행하려면 해당 명령을 담은 프로그램의 주소 영역이 메모리에 올라가 있어야한다.

 

프로그램의 주소 영역은 크게 코드 , 데이터 , 스택 영역으로 구분된다.

 

코드는 프로그램 함수들의 코드가 cpu에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장되는 부분,

데이터 영역은 전역 변수등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 부분이다.

스택 영역은 함수가 호출될 때 호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터를 임시로 저장하는 데에 사용되는 공간이다.

 

프로그램에서 메인 함수 명령 시행하다 호출함수 구문에서 복귀 주소는 스택영역에 저장되고 

이로써 각 프로그램의 주소 공간중 스택영역에 저장되는 형태인데

 

인터럽트 동작 원리도 비슷한데

인터럽트 발생시 복귀 주소는 PCB인 운영체제가 관리하는 프로세스 제어 블록에 저장된다. 

인터럽트 발생시점 그 프로그램의 어느 부분까지 수행했는지 저장한다.

운영체제 내부 코드인 인터럽트 처리루틴으로 넘어가서 인터럽트 처리를 하고 다시 돌아와  이전 프로그램 작업 지점 부터 

작업을 수행한다.

 

 

2. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

 

사용자 프로그램은 사용자 정의함수와 라이브러리 함수, 커널함수 세가지를 사용한다. 사용자 정의함수는 프로그래머가 직접 작성한 함수이고,  라이브러리 함수는 누군가가 작성해놓은 함수를 호출하는 경우이다. 사용자 정의함수와 라이브러리 함수는 프로그램의 코드 영역에 기계어 형태로 존재한다. 따라서 프로세스의 주소 공간에 포함되며 함수 호출 시에도 자신의 주소공간의 스택을 사용하게 된다.

커널함수는 운영체제의 서비스를 요청하기 위해 호출하는 시스템 콜 함수와 각종 하드웨어, 소프트웨어, CPU의 서비스를 요청하기 위해 발생시키는 인터럽트 처리 함수가 있다. 운영체제의 커널의 내에 있는 함수를 사용자 프로그램이 호출해서 사용하는 것이다. 

 

3.인터럽트

 

인터럽트 중간에 인터럽트가 발생할 수 있음

그러면 우선순위 높은 인터럽트를 먼저 처리함.

 

CPU는 매번 프로그램 카운터가 가리키고 있는 지점의 명령을 하나씩 수행하고 나서, 다음 명령을 수행하기 직전에 인터럽트 라인이 세팅되어있는지 체크한다. 인터럽트 라인 체크를 통해 인터럽트가 발생했다면 CPU는 현재 수행중인 프로세스를 멈추고 CPU를 운영체제가 회수하여 인터럽트 처리루틴으로 이동하여 인터럽트 처리를 수행한다. 인터럽트의 처리를 마치고 나면 인터럽트가 발생하기 직전의 프로세스에게 CPU의 제어권이 다시 넘어간다.

 

4. 컴퓨터 시스템의 작동 개요

CPU가 수행해야 할 메모리 주소를 담고 있는 레지스터를 프로그램 카운터(Program Counter, PC)라고 한다. 즉, CPU는 매번 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 위치의 명령을 처리하게 된다. 보통의 경우 순차적이다. 

 

메모리에는 사용자 프로그램들과 운영체제가 같이 올라가 수행된다. 이때 CPU는 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 위치의 프로그램을 수행한다. PC가 운영체제를 가리키고 있으면 커널모드, PC가 프로그램을 가리키고 있으면 사용자모드 이다.

CPU가 수행하는 명령에는 메모리에서 자료를 읽어와 CPU에서 계산하고 결과를 메모리에 쓰는 일반명령과 보안이 필요한 명령으로 입출력 장치, 타이머등에 접근하는 특수명령이 있다. CPU내의 모드비트를 이용하여 시스템은 실행가능성을 체크한다. 다만 사용자 프로그램을 하다가 특수명령이 필요할때가 생기게 된다. 이때는 사용자 프로그램이 스스로 특수명령을 실행할 수 없기에 시스템 콜(System Call)이라는 서비스 요청을 하여 운영체제에게 대행을 요구한다. 

시스템 콜을 하게 되면 웅영체게는 사용자 프로그램의 코드가 아닌 커널 영역에 정의된 시스템 콜 처리 코드를 수행하게 된다. 외부 입출력을 예로 들면 시스템 콜을 이용해 디스크를 읽어오고 디스크 컨트롤러에서 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알리게 된다. CPU는 PC에 있는 명령을 처리하다 인터럽트 라인에 의해 인터럽트를 매 명령후 확인하고 인터럽트가 발생한 경우 처리하게 된다.