인터럽트, 시스템 구조, 운영체제 아키텍처 - Operating System 1-1

운영체제가 무엇을 관리하는지, 인터럽트가 실행 흐름을 어떻게 바꾸는지, 그리고 이 구조가 이후 OS 학습의 기반이 되는 이유를 정리합니다.

xmoonanx 12 min
인터럽트, 시스템 구조, 운영체제 아키텍처 - Operating System 1-1

운영체제가 무엇을 관리하는지, 왜 인터럽트가 핵심인지, 그리고 이후 프로세스·스레드·메모리 개념이 어떤 기반 위에 올라가는지 먼저 잡는 글이다.

What this post covers

  • 운영체제가 하는 역할과 시스템 전체 구조
  • 인터럽트가 CPU 실행 흐름을 바꾸는 방식
  • 저장장치 계층과 컴퓨터 시스템 아키텍처의 큰 그림

Operating System(OS)

여러 서비스들을 유저들과 응용프로그램을 하드웨어가 사용할 수 있도록 도와주는 역할

Definition of OS

  • 보는 관점에 따라 다를 수 있음 (사용자 <-> 개발자)
  • 운영체제가 있는 이유: 하나 컴퓨터마다 하나의 프로그램만 작동하지 않음.
    • 여러 프로그램을 하드웨어 같은 인프라를 가지고 효율적으로 돌리기위해 운영체제가 필요.
    • 작은 메모리(RAM)만 가지고도 여러 프로그램을 돌릴 수 있음.
  • Mobile devices like smartphones and tablets are resource poor, optimized for usability and battery life
    모바일은 성능이 더 작으니 resource poor 하고, 배터리를 잘 관리하기 위해 운영체제가 여기에 맞춰 개발됨.
  • 심지어 가전제품 등에도 CPU가 있고 OS도 있음. OS의 시발점은 군사용이었음.

Concept of OS

  1. No universally accepted definition
  2. “The one program running at all times on the computer”is the kernel, part of the operating system
  3. 그외 나머지는 system program(ships with the os, but not part of the kernel) 또는 application program(all programs not associated with os)이다.
  4. middle ware: 개발자들을 위해 API를 제공해주는 계층, 사용자들이 보는 것보다 추상화되어 있음. 예시: 쿼리 등

Computer System Organization

Computer System Organization

  • 각각 system bus로 연결되어 있고, 이를 통해 다 연결이 되어 동시에(Concurrent) 운영이 된다.
  • Concurrent 과정에서 충돌은 피할 수 없다. 특히 메모리에 접근할 경우에 충돌은 빈번해서 메모리 접근은 느릴 수 밖에 없음.
  • I/O devices and the CPU can execute Concurrently
  • Local Buffer 는 I/O device를 제어하기위한 컨트롤러 이다.
    • 함수 또는 특정 코드 블록 내에서 선언된 임시 저장 공간으로, 스택(stack) 메모리에 저장됨.
  • Each device controller type has an operating system device driver to manage it
  • CPU moves data from/to main memory to/from local buffers. (컴퓨터 시스템에서 어떤 계산이든 CPU를 통해서 이루어 진다. 데이터의 이동조차.)
  • Device controller informs CPU that it has finished its operation by causing an interrupt.

그럼 CPU들이 모든 일에 어떻게 관여하는가??

그걸 가능하게 하는게 Interrupt 이다.

Interrupt

  • Interrupt는 ‘방해하다’라는 뜻처럼 CPU가 하는 행위를 방해해서 여러 개의 일을 할 수 있도록 함.

Function of Interrupt

  • Interrupt transfers control to the interrupt service routine generally,
    through the interrupt vector, which contains the addresses of all the service routines
    • 어떤 사건이 발생한 것을 알려주기 위해 CPU를 갑자기 중단을 시킴. 마우스를 움직이면 마우스I/O에서 CPU에 interrupt를 검.
      그럼 CPU가 멈추고 변경된 것을 반영. 이 과정의 코드 가 interrupt service routines 이다.
  • 디바이스마다 interrupt가 있는데, 각 interrupt를 구별하기 위해 interrupt vector 가 있다.(즉, interrupt의 index 역할)
  • A trap or exception is a software-generated interrupt.
  • OS is interrupt driven.
    • interrupt의 종류가 너무 많아서 계층 구조를 가진다. vector에서 번호가 하나만 주어지는 게 아니라, 그 주소의 table이 또 있다.(ex: 외과에도 셩형외과, 일반외과 있는 것처럼)

CPU가 interrupt가 걸린지 어떻게 아는가?

  • The CPU hardware has a wire called the interrupt-request line that the CPU senses after executing every instruction. (interrupt는 대략 1초에 2천번 정도 이루어 진다.)

interrupt_timeline

interrupt_timeline

Interrupt Handling

  • CPU가 interrupt가 걸리면 실행하던 코드를 멈추고 다른 코드를 실행함.
    그리고 원래의 상태로 돌아가기 위해 registers (어느 하나의 register가 아니라 resgister의 집합)를 저장함.

interrupt 방식.

  1. polled interrupt system
    • interrupt가 오면 확인하는 방식
  2. vectored interrupt system
    • interrupt에 번호가 따라오는 방식(대부분 vector 사용)

Two interrupt request line

  1. nonmaskable interrupt: unrecoverable errors(무조건 걸리는 interrupt)
  2. maskable interrupt: can be turned off(안받아도 되는 interrupt)
  • Interrupt chaining: each element in the interrupt vector points to the head of a list of interrupt handlers.
    • vector의 크기를 줄이기 위해 계층 구조를 가지고 있다.
  • interrupt의 우선순위가 있는데 interrupt priority level 이라 하고 우선순위대로 실행됨.

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Interrupt-drive I/O Cycle instruction중에 sensing을 통해 interrput 여부 확인 interrupt는 OS의 multitasking등을 이해하기 위한 기초

Storage Structure

  • main memory: only large storage media that the CPU can access directly
    • Random access
    • Typically volatile(휘발성)
    • Typically random-access memory in the form of Dynamic Random-access Memory(DRAM)
  • Secondary storage: extension of main memory that provides large nonvolatile(비휘발성) storage capacity
    1. HDD(Hard Disk Drives): logically divided into tracks, which are subdivided into sectors
    2. NVM(Non-volatile memory) devices = SSD: faster than hard disk, Nonvolatile, Varios technologies, Becoming more popular(as capacity and performance increases, price drops).

Storage Definitions and Notation

  • bit: The basic unit of computer storage.
  • byte: Is 8bits, the smallest convenient chunk of storage
  • word: size of CPU’s register(ex: 1word = 8byte in 64bits CPU) (octec = 8 bit = 1 byte)

Stroage Hierarchy

Storage systems organized in hierarchy(계층 구조)

  1. speed: program
  2. cost
  3. volatility
  • Caching: copying information into faster storage system
    • Main memory can be viewed as a cache for secondary storage
  • Device Driver: For each device controller to manage I/O
    • Provides uniform interface b/w controller and kernel

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Storage-Device Hierarchy

register, cache는 CPU안에 내장되어있고 가장 빠르고 용량이 적으며 비쌈. 밑으로 갈수록 용량이 크고 느리며 가격이 쌈.

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Working of Modern Computer

DMA(direct memory access)

  1. Used for high-speed I/O devices
  2. Device controller transfers blocks of data with out CPU intervention (CPU의 부하를 줄임)
    • 큰 데이터를 CPU가 처리하려면 하나씩 옮겨서 오래걸리기 때문에 CPU가 모두 관여하지 않고 시작과 끝만 관여함
  3. Only one interrupt is generated per block, not per byte

Computer-System Architecture

  • Most systems use a single general-purpose processor
    • Most systems have special-purpose processors as well
  • Multiprocessors systems growing in use and importance
    • Known as parallel systems(병렬 시스템), tightly-coupled systems(밀결합 시스템)

✅Advantages of Multiprocessor:

  1. Increased throughput(처리량) - 작업을 더 빠르게 처리 가능
  2. Economy of scale
  3. Increased reliability: 일부 프로세서가 계속 작동하여 시스템이 완전히 중단되지 않음.

📝Types of Multiprocessor:

  1. Asymmetric Multiprocessing(비대칭 다중처리) - each processor is assigned a specific task
  2. Symmetric Multiprocessing(대칭 다중처리) - each processor performs all tasks

Symmetric Multiprocessing Architecture

Multiple Cores on a Single Chip

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Symmetric Multiprocessing Architecture

  • Multiple single-core chip
    • 두 개의 개별 프로세서가 하나의 시스템에서 동작하며, 병렬 처리 성능을 향상시킴.

Multi-chip and Multicore Systems

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Dual-Core Design

  • Multi-chip and multicore
  • Systems containing all chips
    • Chassis containing multiple separate systems(하나의 물리적 장치 내에 여러 개의 독립적인 컴퓨터 시스템이 존재하는 형태)

NUMA System

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  • 여러 개의 CPU가 각각 독립적인 메모리(memory) 영역을 가지며, 다른 CPU의 메모리에 접근할 수도 있는 구조
  • CPU 간 데이터를 공유할 수 있도록 Interconnect(연결망) 이 존재
  • Scalability(확장성)이 뛰어나지만 원격 메모리 접근은 성능 저하 를 초래할 수 있음
  • ex: Server, Data Center etc

Clustered Systems

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Clustered Systems

  • Multiple systems working together
    (즉, 여러 대의 컴퓨터가 하나의 네트워크로 연결되어 공동 작업을 수행하는 방식)

✅Features of Clustered Systems

  1. Storage Sharing
    • 일반적으로 Storage Area Network(SAN)를 통해 여러 시스템이 동일한 저장소를 공유함
    • 데이터 일관성 유지 가능
  2. Provides a High Availability
    • 시스템 장애 발생 시 다른 노드가 대신 작업을 수행하여 서비스 중단을 방지.
    • Asymmetric Clustering has one machine in hot-standby mode
    • Symmetric Clustering has multiple nodes running applications, monitoring each other
  3. Some clutsers are for High-Performance Computing(HPC)
    • App must be written to use parallelizaion(병렬 처리)
  4. Distributed Lock Manager(DLM)
    • DLM to avoid conflicting operations on shared storage
    • 데이터 무결성을 유지하고, 동시 접근 문제를 방지

Key takeaways

  • 운영체제는 하드웨어 위에서 여러 프로그램이 자원을 나눠 쓰도록 조정하는 핵심 계층이다.
  • 인터럽트는 운영체제가 I/O와 CPU 흐름을 제어하고 동시성을 다루는 출발점이다.
  • 시스템 구조, 저장장치 계층, 아키텍처 개요를 먼저 이해하면 이후 프로세스와 메모리 파트가 훨씬 잘 연결된다.