📘 6장. 제한적 직접 실행 원리

📘 6장. 제한적 직접 실행 원리

핵심 주제: OS가 사용자 프로그램을 직접 실행하되, 제한된 방식으로 실행시키는 원리.

• 6.1 제한적 직접 실행:
  CPU는 사용자 프로그램을 직접 실행하지만, 제한된 상황에서만 실행되도록 한다. 예를 들어, 프로그램이 시스템 자원에 접근하려 할 때는 커널로 전환되어야 함.
• 6.2 문제점: 제한된 연산:
  일반 사용자 프로그램은 **특정 명령어(CPU 명령어)**를 사용할 수 없다. 예: 입출력 명령어, privileged instruction 등.
• 6.3 문제점: 프로세서 간 전환:
  프로그램 실행 중 시스템 호출(syscall)이나 인터럽트가 발생하면 커널 모드로 전환해야 한다.
• 6.4 병행성 걱정:
  여러 프로그램이 동시에 실행되면 자원 충돌 문제가 발생. 이를 해결하려면 병행 제어가 필요.-> 락(lock) 기법
• 6.5 요약:
  사용자 프로그램을 직접 실행하되, 제어권은 항상 OS에 있음. 핵심은 제한된 방식으로 안전하게 실행한다는 것.

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운영체제는 효율적인 방식으로 CPU를 가상화하지만 시스템에 대한 제어를 잃지 않는다.

 

제어권을 잃지 않기 위해서 하드웨어와 운영체제의 지원이 필수적이다.

운영체제는 작업을 효과적으로 수행하기 위하여 하드웨어가 제공하는 기능을 신중하게 사용한다

CPU 시간을 나누어 씀

CPU를 가상화하기 위해서 운영체제는 여러 작업들이 동시에 실행되는 것 처럼 보이도록 물리적인 CPU를 공유한다

한 프로세스를 잠시 동안 실행하고 다른 프로세스를 또 잠깐 실행하고, 이런 식으로 계속해서 잠깐씩 실행시키면 된다.

이러한 방식처럼 CPU 시간을 나누어 씀으로써 가상화를 구현할 수 있다.

 

운영체제의 목표

제어권을 유지하면서 성능 저하가 없도록 하는 것

 

1) 성능 저하

시스템에 과중한 오버헤드를 주지 않으면서 가상화를 구현할 수 있을까?

 

2) 제어 문제

CPU에 대한 통제를 유지하면서 프로세스를 효율적으로 실행시킬 수 있는 방법은 무엇인가?

 

운영체제의 입장: 자원 관리의 책임자

 

운영체제가 제어권을 상실하면, 프로세서는

• 영원히 실행을 계속할 수 있고
• 컴퓨터를 장악하거나
• 접근해서는 안 되는 정보에 접근하게 된다

 

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6.1 제한적 직접 실행: Limited Direct Execution

직접 실행: 프로그램을 CPU 상에서 그냥 직접 실행

직접 실행의 장점: 빠르게 실행된다. 기본적으로 프로그램이 하드웨어 CPU 에서 실행되기 때문이다.

기본적인 직접 실행 프로토콜 (제한이 없는)

 

운영체제가 프로그램을 직접 실행 하는 방법

• 프로세스 목록에 해당 프로세스 항목을 만들고
• 메모리를 할당하며
• 프로그램 코드를 디스크에서 탑재하고
• 진입점(main)을 찾아 그 지점으로 분기하여
• 사용자 코드를 직접 실행

 

CPU에서 직접 실행시키면 새로운 문제가 발생

1) 운영체제가 원치않는 프로세스를 어떻게 막는가? 어떻게 보장할 수 있는가?

2) 프로세스 실행 시, 운영체제는 어떻게 프로그램의 실행을 중단하고 다른 프로세스로 전환하는가?

 

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6.2 문제점: 제한된 연산

 

프로세스가 특수한 종류의 연산을 수행하길 원한다면?

• 디스크 입출력 요청
• CPU 또는 메모리와 같은 시스템 자원에 대한 추가할당 요청

예) 파일에 대한 접근을 허용하기 전에 접근 권한을 검사하는 파일 시스템을 구현

프로세스가 디스크에 대하여 입출력하는 일을 제한하지 않으면

프로세스는 전체 디스크를 읽고 쓸 수 있기 때문에 -> 접근 권한을 검사하는 기능이 아무런 의미가 없다.

 

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특수 연산 제한 하는 방법: 모드의 분리

 

1) 사용자 모드(user mode)

사용자 모드에서 실행되는 코드는 할 수 있는 일이 제한된다.

프로세스가 사용자 모드에서 실행 중이면 -> 입출력 요청을 할 수 없도록 설정한다.

입출력 요청을 하면 프로세서가 예외를 발생시키고, 운영체제는 해당 프로세스를 제거한다

 

2) 커널 모드(kernel mode)

사용자 모드와 대비되는 모드로서 운영체제의 중요한 코드들이 실행된다.

이 모드에서 실행되는 코드는 모든 특수한 명령어를 포함하여 원하는 모든 작업을 수행할 수 있다.

 

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사용자 프로세스가 디스크를 읽기와 같은 특권 명령어를 실행해야 할 때는 어떻게 해야 하는가?

이런 제한 작업의 실행을 허용하기 위하여 거의 모든 현대 하드웨어는 사용자 프로세스에게 시스템 콜을 제공한다

 

운영체제는 수백 개의 시스템 콜을 제공한다

시스템 콜

• 파일 시스템 접근
• 프로 세스 생성 및 제거
• 다른 프로세스와의 통신
• 메모리 할당

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프로그램이 시스템 콜을 실행하는법 : trap

1.trap

trap: 사용자 모드 -> 커널 모드로 변경

커널 안으로 분기, 동시에 특권 수준을 커널 모드로 상향 조정한다.

커널 모드로 진입하면 운영체제는 모든 명령어를 실행할 수 있고 이를 통하여 프로세스가 요청한 작업을 처리할 수 있다.

 

2. 각 프로세스의 커널 스택(kernel stack) 에 저장

• 프로그램 카운터 레지스터
• 플래그 레지스터

3. return-from-trap

커널 모드 -> 사용자 모드 로 변경

완료되면 운영체제는 return-from-trap 특수 명령어을 호출

특권 수준을 사용자 모드로 다시 하향 조정하면서 호출한 사용자 프로그램으로 리턴한다.

 

호출한 프로세스의 필요한 레지스터들을 저장해야 한다.

 

운영체제가 return-from-trap 명령어 실행 시

커널 스택(kernel stack)에서 팝 (pop) -> 사용자 모드 프로그램의 실행을 다시 시작한다

사용자 프로세스로 리턴한다

 

 

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trap이 운영체제 코드의 어디를 실행할지 어떻게 아느냐?

호출한 프로세스는 분기할 주소를 명시할 수 없다.

주소를 명시한다 -> 커널 내부의 원하는 지점을 접근할 수 있다

 

커널이 임의의 코드를 실행하기 위해서는 접근 권한 검사가 끝난 후 분기해야 한다

 

커널은 부팅 시에 트랩 테이블(trap table) 을 만들고 이를 이용하여 시스템을 통제한다

컴퓨터가 부트될 때는 커널 모드에서 동작하기 때문에 하드웨어를 원하는 대로 제어할 수 있다.

 

• 하드 디스크 인터럽트가 발생하면
• 키보드 인터럽트가 발생하면
• 프로그램이 시스템 콜을 호출하면

운영체제는 특정 명령어를 사용하여 하드웨어에게 트랩 테이블(trap table)의 위치를 알려준다.

트랩 테이블(trap table)에는 하드웨어는 어떤 작업을 해야 할지 (즉, 어느 코드로 분기하여 실행할지) 알 수 있다

운영체제가 하는 초기 작업중 하나는 하드웨어에게 예외 사건이 일어났을 때 어떤 코드를 실행해야 하는지 알려주는 일이다.

 

 

 

프로세스는 커널 스택을 각자 가지고 있다.

프로세스가 사용자 모드에서 커널 모드로 진입할때

하드웨어에 의해 프로그램 카운터와 범용 레지스터 등의 레지스터가  커털 스택에 저장되고 복원된다.

 

 

1-1) 부팅 시: 커널 모드

커널은 트랩 테이블을 초기화하고 CPU는 나중에 사용하기 위하여 테이블의 위치를 기억한다.

커널은 이러한 작업을 커널 모드에서만 사용할 수 있는 명령어를 이용하여 수행한다

 

1-2) 프로세스를 실행하기 전: 커널 모드

새로운 프로세스를 위한 노드를 할당하여 프로세스 리스트에 삽입

메모리를 할당

 

2) 하드웨어(커널 모드-> 사용자 모드)

커널 스택으로 부터 받은 데이터로 레지스터 복원

사용자 모드로 이동

 

3) 사용자 모드:  trap 시스템 콜 호출

CPU를 사용자 모드로 전환하고 프로세스 실행을 시작

프로세스가 시스템 콜을 호출하면 운영체제로 다시 trap: 사용자 모드 -> 커널 모드로 변경

 

4) 하드웨어(사용자 모드 -> 커널 모드)

커널 스택에 레지스터 정보 저장

trap 핸들러로 분기

 

5) 커널모드

운영체제는 시스템 콜을 처리

return-from-trap 명령어를 사용하여 다시 제어를 프로세스에게 넘긴다.

 

6) 하드웨어(커널 모드-> 사용자 모드)

커널 스택으로 부터 받은 데이터로 레지스터 복원

사용자 모드로 이동

 

7) 사용자 모드: 프로세스 종료

프로세스는 이후 자신의 할 일을 다하면 main()에서 리턴한다.

프로세스 종료시킬 때 exit() ->trap: 사용자 모드 -> 커널 모드로 변경 

 

8) 커널 모드

프로세서 메모리 반환

프로세서 목록 제거

 

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6.3 문제점: 프로세서 간 전환

운영체제는 어떻게 CPU를 다시 획득하여 프로세스를 전환할 수 있는가?

운영체제는 실행 중인 프로세스를 계속 실행할 일인지, 멈추고 다른 프로세스를 실행할 일인지를 결정해야 한다.

CPU에서 프로세스가 실행 중 == 운영체제는 멈춰있다.

 

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1) 협조 방식 : 시스템 콜 기다리기

 

2) 비협조 방식 : 운영체제가 전권을 행사

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협조 방식 : 시스템 콜 기다리기(yield 시스템 콜)

운영체제가 프로세스들이 합리적으로 행동할 것으로 신뢰한다.

운영체제가 다른 작업을 실행할 결정을 할 수 있도록,

오랫동안 실행할 가능성이 있는 프로세스가주기적으로 CPU를 포기할 것이라고 가정한다.

 

• 시스템 콜이 호출되기를 기다린다
• 불법적인 연산이 일어나기를 기다린다 -> trap 호출
• CPU의 제어권을 다시 획득한다.

 

프로세스는 어떻게 CPU를 포기할 수 있을까?

프로세스는 자주 시스템 콜을 호출하여 CPU의 제어권을 운영체제에게 넘겨준다.

yield 시스템 콜: 운영체제에게 제어를 넘겨 운영체제가 다른 프로세스를 실행할 수 있게 한다.

 

오래 걸리는 프로세스 예시

• 파일을 열고 읽는 작업
• 다른 컴퓨터에게 메시지를 송신
• 새 프로세스를 생성

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메모리에 불법적으로 접근하거나 불법적인 명령어를 실행할 때 운영체제가 어떻게 해야 할까?

응용 프로그램이 비정상적인 행위를 하게 되면 운영체제에게 제어가 넘어간다.

 

응용 프로그램이

• 어떤 수를 0으로 나누는 연산을 실행하거나
• 접근할 수 없는 메모리에 접근하려고 하면

운영체제로의 trap: 사용자 모드 -> 커널 모드로 변경 

운영체제는 다시 CPU를 획득하여 해당 행위를 하는 프로세스를 종료할 수 있다.

 

 

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비협조 방식 : 운영체제가 전권을 행사 -> 타이머 인터럽트(timer interrupt)

프로세스가 시스템 콜을 호출하기를 거부하거나

실수로 호출하지 않아 운영체제에게 제어를 넘기지 않을 경우

하드웨어의 추가적인 도움 없이는 운영체제가 할 수 있는 일은 거의 없다.

 

타이머 인터럽트(timer interrupt)

인터럽트가 발생하면 현재 수행 중인 프로세스는 중단되고

미리 구성된 운영 체제의 인터럽트 핸들러(interrupt handler)가 실행된다.

운영체제는 CPU 제어권을 다시 얻게 되고 자신이 원하는 일을 할 수 있다.

현재의 프로세스를 중단하고 다른 프로세스를 실행시키는 작업 등이 해당된다.

 

부팅 과정 진행 중에 운영체제는 타이머를 시작한다.

타이머가 시작되면 운영체제는 자신에게 제어가 돌아올 거라는 것을 안다.

부담 없이 사용자 프로그램을 실행할 수 있다.

타이머는 특정 명령어를 수행하여 끌 수도 있다.

 

인터럽트 발생 시 하드웨어 역할

인터럽트가 발생했을 때 실행 중이던 프로그램의 상태를 저장

return-from-trap 명령어가 프로그램을 다시 시작할 수 있도록 해야 한다.

다양한 레지스터가 커널 스택에 저장되고

return-from-trap 명령어를 통하여 복원된다

 

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1) 스케줄러(scheduler)

 

현재 실행 중인 프로세스를 계속 실행할 지, 아니면 다른 프로세스로 전환할 지를 결정

 

2) 문맥 교환(context switch)

다른 프로세서로 전환하기

 

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(1) 커널 스택에 저장

운영체제는 현재 실행 중인 프로세스의 레지스터 값을 커널 스택에 저장

저수준 어셈블리 코드를 사용하여

• 현재 실행 중인 프로세스의 범용 레지스터 저장
• PC 저장
• 현재 커널 스택 포인터 저장

(2) 실행할 프로세서 데이터 준비

운영체제는 곧 실행될 프로세스의 커널 스택으로부터 레지스터 값을 복원

 

• 곧 실행될 프로세스 범용 레지스터
• 곧 실행될 프로세스 PC를 복원
• 커널 스택을 곧 실행될 프로세스의 커널 스택으로 전환

(3) context switch

운영체제는 인터럽트된 프로세스 문맥에서 전환 코드를 호출하고, 실행될 프로세스 문맥으로 리턴할 수 있다

 

(4) return-from-trap 명령어

운영체제가 마지막으로 return-from-trap 명령어를 실행하면 -> 실행될 프로세스가 현재 실행 중인 프로세스가 된다.

다른 프로세스로 리턴하여 다른 프로세서 실행을 다시 시작

 

 

 

 

 

6.4 병행성 걱정

 

만약 시스템 콜을 처리하는 도중에 타이머 인터럽트가 발생하면 어떤 일이 발생하는가?

하나의 인터럽트를 처리하고 있을 때 다른 인터럽트가 발생하면 어떤 일이 생기는가?

커널에서 처리하기 더 어려워지는 잃은 아닌가?

 

락(lock) 기법

->해결 방법: 인터럽트를 처리하는 동안 인터럽트를 불능화

6.5 요약

 

CPU 에서 실행하고 싶은 프로그램을 실행시킨다.

운영체제가 CPU를 사용하지 못해도,

운영체제가 프로세스의 작업을 제한할 수 있도록 하드웨어를 셋팅해야 한다

특별한 연산을 수행할 때, 즉 프로세스가 CPU를 독점하거나, 다른 프로세스로 전환해야 할 때만 운영체제가 개입한다.

 

1. 부팅할 때 트랩 핸들러 함수를 셋팅

2. 인터럽트 타이머를 시작시킴

3. 제한된 모드에서만 프로세스가 실행되도록 함