- (Virtual) Memory
- 1. CPU Virtualization
- 2. Direct Execution
- 3. Limited Direct Execution(LDE)
- 4. Worried About Concurrency?
- Review
- Reference
이 글의 사진과 내용은 공룡책 과 컴퓨터학부 수업인 운영체제 강의자료를 기반으로 작성했습니다.
(Virtual) Memory
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32bit CPU의 메모리 주소 레지스터의 크기는 32bit
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CPU가 만들어내는(표현할 수 있는) 주소 개수 : 2^32
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Stack : 지역 변수
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Heap : 할당된 변수 or malloc(), calloc()
1. CPU Virtualization
- How to provide the illusion of many CPU’s
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OS가 많은 가상의(논리적인) CPU가 존재하는 것처럼 환상을 조장한다.
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(single-core system으로 가장한다면) 물리적인 CPU 개수는 1개이다.
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Time-sharing-> 핵심: 시간을 나눠서 사용한다-
User가 원하는 만큼 동시에 프로세스를 실행할 수 있다.
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Round robin 방식에 의해서 하나의 프로세스를 실행하고, 멈춘 다음에 다른 프로세스를 실행한다.
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CPU Virtualization을 구현하기 위해서 필요한 2가지
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OS’s low-level mechanism (How) (e.g. Context switch)
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OS’s policy (Which) (e.g. Scheduling policies)
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2. Direct Execution
Direct execution: CPU가 프로세스를 수행하는 동안에는 OS가 간섭하지 않는다.
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위의 표와 같이 한 번 실행하면 종료될 때까지 프로세스는 멈추지 않는다.
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하지만 이 방법으로는 지금 구현하려고 하는 CPU 가상화를 구현할 수 없다.
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한 번 실행된 프로세스에 대해 제어를 할 수 없으며 Time Sharing을 할 수 없다.
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Time Sharing을 하려면 어떠한 Limit를 해줘야 CPU 가상화를 구현할 수 있다.
3. Limited Direct Execution(LDE)
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Direct Execution는 프로그램을 빠르게 실행하는 장점이 있다.
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하지만 실행 도중에 (1)디스크에 대한 I/O 요청이 발생하거나 (2)CPU 혹은 Memory에서 더 많은 시스템 리소스에 대한 엑세스 권한을 획득하는 경우를 해결할 수 없기 때문에 사용할 수 없다.
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이를 해결하기 위한 방법으로
Limited Direct Execution을 사용한다.
Problem#1: Restricted operations
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What to limit?
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General memory access
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Disk I/O
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Certain instructions
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이러한 문제를 해결하기 위해 User mode와 Kernel 모드로 상태를 구분한다.
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User mode에서는 수행할 수 있는 작업에 제한을 둬서 Application이 HW 리소스에 대한 완전한 접근을 가질 수 없다. -
이를 보완하기 위해
Kernel mode에서는 OS가 CPU 권한을 가지고 I/O요청과 같은 권한이 필요한 모든 작업을 수행할 수 있다.
[System call 이란]
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System call은 일종의 SW적인 인터럽트로서 사용자 프로그램이 system call을 할 경우 trap이 발생해 CPU의 제어권이 OS로 넘아가게 된다.
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그러면 OS는 해당 system call을 처리하기 위한 루틴으로 가서 정의된 명령을 수행한다.
[System call 과정 설명]
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만약 User mode의 프로세스가 Kernel mode에서 수행 가능한 작업을 원할 때에는
System call을 사용하면 된다. -
System call은 user mode 프로세스에게 kernel mode에서 수행가능한 작업을 수행할 수 있게 해준다.
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System call을 실행하기 위해서 user process는
trap명령을 실행하여 Kernel로 Jump하고 kernel mode에서 권한 수준(1->0)을 올린 다음에 작업을 수행한다. -
제한된 작업이 완료되면, OS는
return-from-trap명령을 호출(call)하여 user mode로 권한 수준(0->1)을 내려준다.
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trap 명령이 실행되면, processor는 program counter, falgs, 그리고 다른 register을 process별로 kernel stack으로
push한다. -
return-from-trap 명령이 실행되면, stack에서 값을
pop하고 user mode의 실행을 다시 시작한다.
[System Call Procedure]
- 아래 그림에서 user mode에서 kernel mode로 이동할 때 trap 명령을 실행하는 것을 확인할 수 있다.
Problem#2: Switching between processes
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Problem#1에서는 하나의 프로세스가 수행중에 권한이 있는 작업을 수행하는 방법에 대해 알아봤다.
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그렇다면 이젠 하나가 아닌 여러 개의 프로세스를 동시에 실행할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하자.
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문제를 해결하기 위한 2가지 방법이 있다.
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[1] 협력적인 방법
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[2] 비협력적인 방법
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[1] 협력적인 방법으로는 system call을 기다리는 방법이다.
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프로세스가 system call을 실행하면 OS로 제어권이 넘어오게 되고 OS는 작업을 수행한 후에 다음 프로세스에게 제어권을 넘겨준다.
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하지만 만약에 프로세스가 무한 루프(infinite loop) 에 빠지게 되고, system call을 호출하지 않으면 어떻게 될까 ?
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해결이 안될 때에는 머신을 재부팅(reboot)해야 한다.
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[2] 1번을 해결하기 위해서
timer interrupt를 사용한다.-
time interrupt는 일정 시간마다 interrupt를 발생시키는 방법이다.
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time interrupt가 발생되면 OS가 제어를 갖고 다음 프로세스를 실행하는 의미이다. 즉,
timer interrupt는 특정 시간동안 **OS가 CPU를 다시 실행할 수 있는 권한을 준다. ** -
하지만, 여기서 여러 개의 프로세스를 잘 수행하려면 기존에 실행했던 프로세스의 정보를 저장하고, 나중에 다시 실행할 때 저장된 정보를 가져오는
Context switch을 사용해야 한다. -
여기서
Context는 프로세스와 관련된 정보의 집합을 의미한다. -
Context switch는 context saving과 context restoring이라는 두 가지 방법이 있는데, 말 그대로 하나는 현재 프로세스에 대한 레지스터 값들을 kernel stack에
저장하는 것이고, 다른 하나는 kernel stack으로부터 저장된 값을복구하는 것이다.
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[Saving and Restoring Context]
- 위와 같은 방식으로 Schedular가 switch를 원하면 context switch를 통해 Process A에서 Process B로 이동하게 된다.
[Example Of Context Switching]
- 위의 예시처럼 Context Switching도 시간이 걸리며 오버헤드가 발생한다.
4. Worried About Concurrency?
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하지만, 위의 문제들을 해결하고 또 다른 문제가 발생한다.
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만약 interrupt 혹든 trap 처리하는 도중에 또 다른 interrupt가 발생한다면 어떻게 해야할까?
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이러한 상황에서 OS는 두가지 방안으로 처리한다.
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Disable interrupts- interrupt 처리중에는 다른 interrupt들을 무시한다.
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locking- 내부의 자료 구조에 동시에 접근하는 것을 보호하기 위해 여러가지 정교한 잠금 scheme를 사용한다.
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Review
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이번 장은 Limited Direct Execution에 대해 복습하고 정리해봤다.
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디스크에 I/O요청이 오거나 CPU 또는 메모리와 같은 더 많은 시스템 리소스에 접근을 허용할 때에는 system call을 통해 mode switch 하는 방법, 그리고 여러 개의 프로세스들이 동시에 실행할 때에는 context switch를 통해 time interrupt를 사용하는 방법을 배웠다.