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[운영체제 요약] 1.운영체제와 컴퓨터

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    유사공대생
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운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

운영체제는 크게 네가지가 있습니다.

  1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할 지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리합니다.
  2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 얼만큼 할당해야 하는지 관리합니다.
  3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할 지 관리합니다.
  4. I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리합니다.


운영체제의 구조

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  • GUI: 사용자가 전자장치와 상호작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 해준다.
  • 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
  • CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

시스템 콜 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 한 후, 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

예를 들어 I/O 요청인 fs.readFile() 이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동되었다고 하자.

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이 때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다. 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

  • I/O 요청: 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
  • 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

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위 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달한다.

이 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 그렇기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

시스템 콜 예시 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
   FILE *fp;
   char buffer[255];

   fp = fopen("test.txt", "r"); // 시스템 콜을 호출하는 fopen 함수
   if (fp == NULL) {
      perror("Error opening file");
      exit(1);
   }

   fgets(buffer, 255, fp); // 시스템 콜을 호출하는 fgets 함수
   printf("Contents: %s\n", buffer);
   fclose(fp); // 시스템 콜을 호출하는 fclose 함수
   return 0;
}

위 코드에서 fopen() 함수는 "test.txt" 파일을 열어서 해당 파일의 파일 포인터를 반환한다. 이 함수는 내부적으로 시스템 콜을 호출한다. fgets() 함수는 파일에서 문자열을 읽어서 버퍼에 저장한다. 이 함수도 내부적으로 시스템 콜을 호출한다. fclose() 함수는 파일을 닫는다. 이 함수 역시 내부적으로 시스템 콜을 호출한다.

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발생시키면, 운영 체제는 이를 감지하고 시스템 콜을 호출한다. 시스템 콜은 커널 모드로 전환되어 실행되며, 유저 프로그램이 요청한 작업을 수행한다. 작업이 완료되면 결과를 유저 프로그램에 반환하고, 다시 유저 모드로 전환된다. 이 과정에서 유저 모드와 커널 모드 간에 상태 변환이 발생하므로, 이를 전환하는 과정을 트랩 핸들링이라고 한다.



modebit

시스템 콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서 작동해야 된다. 카메라를 켜는 프로그램이 있다고 해보자. 만약 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 하기가 쉽다.

물론 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다고 해도 100% 막을 수는 없지만, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다. 이를 위한 장치가 바로 modebit 이다. modebit 의 0은 커널 모드, 1은 유저 모드라고 설정되며, 유저 모드일 경우에는 시스템 콜을 못하게 막아서 한정된 일만 가능하게 한다.

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위 그림처럼 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템 콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널 모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다. 그 이후에 modebit을 0에서 1로 바꿔서 유저 모드로 변경하고 이후 로직을 수행한다.

  • 유저 모드: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드

  • 커널 모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

  • 커널: 운영체제의 핵심 부분이자 시스템 콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

modebit 예시 코드

모드 비트를 직접 제어하는 코드는 운영체제 커널과 같이 커널 모드에서 실행되어야 한다. 따라서 일반적으로 사용자 수준의 프로그램에서 직접 모드 비트를 제어하는 것은 불가능하다.

하지만, 일부 운영체제는 사용자 수준에서 커널 모드로 전환할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 예를 들어, 리눅스에서는 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환할 수 있다. 아래는 리눅스에서 syscall 시스템 콜을 사용하여 모드 비트를 변경하는 예시 코드이다.

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

#define __NR_my_setcr0 223 // 시스템 콜 번호

int main() {
    uint32_t cr0;
    syscall(__NR_my_setcr0, 0x80000000); // 모드 비트를 설정하여 커널 모드로 전환
    cr0 = get_cr0(); // 현재 CR0 레지스터 값을 가져옴
    if (cr0 & 0x80000000) {
        printf("Kernel mode activated\n");
    } else {
        printf("Failed to activate kernel mode\n");
    }
    return 0;
}

// 커널 모드에서 실행되는 함수로, 모드 비트를 설정하는 인터페이스를 제공
void my_setcr0(uint32_t value) {
    asm volatile ("mov %0, %%cr0" : : "r"(value));
}

// 커널 모드에서 실행되는 함수로, 현재 CR0 레지스터 값을 반환
uint32_t get_cr0(void) {
    uint32_t cr0;
    asm volatile ("mov %%cr0, %0" : "=r"(cr0));
    return cr0;
}

// 시스템 콜 테이블에 my_setcr0 시스템 콜 번호를 등록
SYSCALL_DEFINE1(my_setcr0, uint32_t, value) {
    my_setcr0(value);
    return 0;
}

위 코드에서 syscall 함수는 unistd.h 헤더 파일에 정의된 시스템 콜을 호출한다. __NR_my_setcr0 상수는 시스템 콜 번호를 나타내며, 커널에서 my_setcr0 함수가 등록되어 시스템 콜 테이블에 등록된 번호와 매핑된다. my_setcr0 함수는 커널 모드에서 실행되며, asm 키워드를 사용하여 인라인 어셈블리를 통해 모드 비트를 설정한다. get_cr0 함수는 현재 CR0 레지스터 값을 반환한다. 이후, main 함수에서 모드 비트를 설정하고, get_cr0 함수를 사용하여 현재 모드 비트를 가져와서 출력한다


리눅스 외에도, 윈도우즈에서는 __readfsbyte와 같은 인라인 어셈블리 코드를 사용하여 커널 모드에서 모드 비트를 제어할 수 있다. 아래는 윈도우즈에서 __readfsbyte 함수를 사용하여 모드 비트를 가져오는 예시 코드이다.

#include <Windows.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    BYTE cr0 = __readfsbyte(0); // 커널 모드에서 실행되어야 함
    if (cr0 & 0x01) {
        printf("Protected mode enabled\n");
    } else {
        printf("Real mode enabled\n");
    }
    return 0;
}

위 코드에서 **readfsbyte 함수는 커널 모드에서 실행되어야 한다. **readfsbyte(0)은 FS 세그먼트 레지스터에서 오프셋이 0인 바이트 값을 읽어오는 인라인 어셈블리 코드이다. 이 바이트 값은 모드 비트를 포함하고 있다. 가져온 모드 비트 값이 1이면 보호 모드가, 0이면 리얼 모드가 활성화되어 있음을 알 수 있다.

컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

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CPU

CPU(Central Proccessing Unit)는 산술논리연산 장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.

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앞의 그림처럼 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.


제어장치

제어장치(CU, Control Unit)은 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.


레지스터

레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억장치를 가리킨다. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.


산술연산장치

산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리 곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.


CPU의 연산 처리

CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예는 다음과 같다.

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  1. 제어 장치가 메모리에 계산할 값을 업로드한다. 또한, 레지스터에도 로드한다.
  2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
  3. 제어 장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메로리로 계산한 값을 저장한다.


인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다. 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.

  • 인터럽트 핸들러 함수: 인터럽트가 발생했을 떄 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며, request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함스를 등록할 수 있다.


하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.

이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.



소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.


DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 된다. 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

메모리(memory)는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.

공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기다. 작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

타이머(timer)는 몇 초안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러(device controller)는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.

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