고민의 흔적

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU의 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

컴퓨터 구조 : DMA 컨트롤러, CPU, 메모리, 타이머, 디바이스컨트롤러

DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치. CPU에 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이다. 또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치 CPU는 일꾼, 메모리는 작업장이다. 보통 RAM을 일컬어 메모리라고 한다.

타이머

몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다.

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU이다.

CPU

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.

제어장치

제어장치는 프로세스를 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정

레지스터

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

산술논리연산장치

덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한 레지스터에도 로드한다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 지정한다.

인터럽트

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 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 백터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 소프트웨어, 인터럽트가 있다.

하드웨어 인터럽트

키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트

소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 트랩이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

인터럽트 핸들러 함수

인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수, 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

시스템콜

시스템콜이란 운영체재가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체재의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다. 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다. 예를 들어 I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동했다고 가정하면 이때 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.

프로세스나 스레드에서 운영체재로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체재에 전달된다.

modebit

시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다.

메모리 계층

1. 레지스터 : CPU안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량 가장 적다.
2. 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭한다. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량 적다.
3. 주기억장치 : RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통이다.
4. 보조기억장치 : HDD, SDD을 일컬으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많다.

가상 메모리

메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말한다.

가상적으로 주어진 주소를 가상 주소라고 하며, 실제 메모리에 있는 주소를 실제 주소라고 한다. 가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 된다.

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 페이지 테이블로 관리된다. 이때 속도 향상을 위해 TLB를 사용한다.

TLB

메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상할 수 있는 캐시 계층이다.

스와핑

만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다. 이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드 디스크로 내림을 반복하여 RAM을 효과적으로 관리하는 것을 스와핑이라고 한다.

페이지

가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

프레임

실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

페이지 폴트

프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다.

1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알린다.
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리 메모리에 없다면 스와핑이 발동된다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
5. 중단되어있던 CPU를 다시 시작한다.

스레싱

메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생한다. 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다. CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 CPU가 한가하다고 생각해 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다. 이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 일어난다.

해결하기 위한 방법은 메모리를 늘리거나, HDD에서 SDD로 바꾸거나 운영체제에서는 작업 세트와 PFF가 있다.

작업세트

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다.

PFF

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다. 상한선에 도달하면 페이지를 늘리고 하한선에 도달하면 페이지를 줄인다.