운영체제#1

LeeMir, 08 March 2021

Introduction

교재

Modern Operating Systems, 3rd ed.(Andrew S. Tanenbaum)
- 번역서 존재, 강의는 번역서 기준으로 진행
- 현재 4판까지 나와있음

A Modern Computer Consists of :

One or more processors
- 멀티 코어
Main memory
- 주 기억 장치
- DRAM : 휘발성 메모리
Disks
- 보조 기억 장치
- Strogy system(저장 장치)
- 비휘발성 메모리
Printers
Various input/output devices

What Is An Operating System

하드웨어를 조작하는 기본 기능을 응용 프로그램에게 제공 => 시스템 호출 형태로 시스템 서비스를 제공
- 프로그래머들은 일일이 하드웨어를 조작할 필요가 없음
운영체제는 사용자와 직접적인 접촉은 없음
- 운영체제와 접촉하는 대상은 응용 프로그램들임
- 사용자가 운영체제와 접촉하는 방법은 GUI, CUI같은 유저 인터페이스로 접촉하는 방법인데, 유저 인터페이스도 프로그램이기 때문에 직접적인 접촉이 아니다
Operating System을 실행할 때, CPU는 Kernel Mode로 실행되고, 응용 프로그램을 실행할 때에는 User Mode로 실행된다
운영체제의 존재 이유
- 하드웨어는 어셈블리어 이하의 저급 언어로 제어
- 운영체제에는 하드웨어를 제어할 수 있는 모든 것을 미리 작성해놔서 응용 프로그램이 고급 언어로 호출했을 때 하드웨어 제어를 대신 해줌
- 하드웨어들의 Ugly Interface를 Beautiful Interface로 변환해 응용 프로그램들에게 제공

The Operating System as a Resource Manager

운영체제는 동시에 실행되는 프로그램들을 관리하는 관리자 역할
자원들을 시간적 / 공간적으로 멀티플렉싱함
- 저장장치 및 자원들을 공유

History of Operating Systems

1945 - 55 : 진공관
1955 - 65 : 트랜지스터와 Batch System
- Batch System : 입력 장치, 출력 장치, 계산 장치가 따로 존재하고, 이것을 테이프라는 자원을 통해 이용하는데, 하나하나 사람이 날라야함
  - 코드는 펀치카드로 작성
  - 중간에 CPU가 노는 시간이 너무 길음
1965 - 80 : IC칩과 멀티프로그래밍의 등장
- 멀티프로그래밍 : 여러 개의 프로그램을 메모리에 적재해서 번갈아가면서 실행
  - CPU가 노는 시간을 줄임
- 이 때부터 운영체제가 자원 관리의 기능을 가짐
1980 - 현재 : Personal Computer의 보급

Computer Hardware Review

CPU는 항상 Memory(DRAM)로부터 코드를 불러와 읽고 Memory에 씀
CPU는 모니터나 키보드같은 입출력 장치를 직접 제어할 수 없음
- Video controller, Keyboard controller 칩에 있는 각각의 Memory(Register)에 값을 조작해 입출력 장치를 간접적으로 제어
CPU와 Memory, 각각의 controller들은 Bus로 연결되어있음
- 그러나 데이터 사용량이 많아지면 속도가 느려져 따로 전용 Bus를 만들어 연결하는 추세

Processor Registers

User-Visible Registers
- Data, Address, Index, Stack pointer, Segment pointer 등 여러가지 종류의 Register 존재
User-Invisible Registers
- PC(Program Counter), IR(Instruction Register), PSW(Program Status Word Register, Flag Register라고도 함) 등이 존재
- 특별한 Register이고, 응용 프로그램에서는 이 Register들을 참조하지 않고 운영체제에서 참조 및 수정함

CPU Pipelining

A three-stage pipeline
- Fetch Unit => Decode Unit => Execute Unit
- 원래에는 프로그램 단위로 Fetch / Decode / Execute를 수행하였으나, Unit 단위로 Pipelining 형태로 수행해 CPU 속도를 높임
- (n+2)번째 명령이 Fetch되는 동안 (n+1)번째 명령이 Decode되고, n번째 명령이 Execute 동시에 실행됨 => 약 3배로 속도가 높아짐
- Fetch / Decode / Execute의 3단계가 아닌 더 많은 단계로 하면 속도가 더 높아질 수 있으나, Hazard라고하는 Execute에서 Jump할 일이 생겨 그 전 단계들에서 수행된 것들이 모두 물거품이 되는 위험성이 존재
A superscalar CPU
- 한꺼번에 여러개의 Unit(명령)을 Fetch 후 Decode해 Holding Buffer에 집어넣고, 가능하다면 여러개의 Unit을 동시에 Execute
  - Unit 간의 Dependency가 존재해 순서가 필요할 경우에는 동시에 실행할 수 없으나, CPU에서 먼저 실행되어야 하는 Unit은 지름길을 만들어 더 빨리 실행되도록 함
- 병렬처리 방식으로, pipeline보다 처리속도 향상

Multithreaded and Multicore Chips

A superscalar보다도 더 빠른 방법을 찾고자 멀티쓰레드 방법이 나옴
여러개의 쓰레드를 코어들이 나눠 수행

Interrupts

프로그램을 순차적으로 읽다가 i번째 이후에 Interrupt가 발생하면 PC(Program Counter)가 Interrupt Handler를 가리켜 수행하고, Interrupt가 끝나면 i+1번째로 돌아가 다시 정상적으로 프로그램을 읽어나감
읽던 부분을 중단하지 않고, 읽던 것은 끝까지 읽은 후에 Interrupt Handler로 이동함
예기치 못한 상황이 발생되면 자체적으로 Interrupt를 발생시킴(Exception이라고 함)
- 예기치 못한 상황 : 0으로 나누려고 했다든지, 존재하지 않는 메모리를 참조했다든지 등
운영체제는 Interrupt의 모임이라고도 할 수 있다

Memory

Memory Hierarchy
- Registers < Cache < Main Memory < Magnetic Disk < Magnetic Tape
- 크기가 작을수록, 접근 시간은 매우 빠름
- Registers, Cache, Main Memory는 휘발성임
Cache Memory
- CPU에 비해 Main Memory의 처리속도가 너무 느려 Cache Memory를 만듦
- Main Memory에서 데이터를 가져와 저장하고, CPU에서 쓸 수 있게 해줌
- Main Memory의 Memory Address 단위로 가져오는 것이 아니라, Block 단위로 가져와서 한꺼번에 저장함
- Fully Associative Mapping
  - Address에서 마지막 64byte를 제외한 나머지 부분을 Tag 형태로 저장해서 검색 속도 향상
  - Cache가 꽉 차서 새로운 Tag를 저장할 때에는 LRU 방식으로, 가장 덜 사용된 데이터를 삭제 후 그곳에 저장
  - 각 Tag마다 비교회로가 따로 있어야해 가격이 매우 비쌈
- Direct Mapping
  - Index별로 들어갈 수 있는 주소를 한정시킴 (address가 xxx70이면 70 Index에만 접근 가능, Tag에 xxx가 저장됨)
  - 새로운 데이터를 Access하면 그 Address와 그에 해당되는 현재 Cache의 Index의 Tag를 참조해 비교연산함
  - Fully Associative Mapping에 비해 가격이 저렴하고, 속도는 상대적으로 느림
- Set Assosiative Mapping
  - N-way Set Associative Mapping
  - Direct Mapping에서 한 Index마다 N개의 구역에 저장할 수 있는 방식(N개의 비교회로 존재)
    - One-way Set Associative Mapping = Direct Mapping
  - N개보다 많은 Block을 참조하게 되면 그 때에는 어쩔 수 없이 삭제를 해줘야함
- Cache는 웬만하면 Hit rate가 높음
  - Locality of Reference(참조 지역성) 때문임
    - Temporal Locality(시간적 지역성) : 한번 참조되었던 데이터는 다시 참조될 가능성이 높음
    - Spatial Locality(공간적 지역성) : 한번 참조되었던 데이터의 인접 데이터들은 참조될 가능성이 높음
    - Working Set : 프로그램들이 실행될 때 참조되는 데이터들의 집합