개인공부 후 자료를 남기기 위한 목적임으로 내용 상에 오류가 있을 수 있습니다.
경성대학교 양희재 교수님 수업 영상을 듣고 정리하였습니다.

프로세스의 생성과 소멸

Process Creation

• 프로세스는 프로세스에 의해 만들어진다. (init process에 의해)
  • 부모 프로세스(Parent process)
  • 자식 프로세스(Child process)
    • cf. Sibling process
  • 프로세스 트리 (process tree)

• Process Identified(PID): 프로세스 번호, 중복되지 않음, 그 번호의 프로세스가 죽기전까지는 그 번호를 재할당못함
  • Typically an integer number: 전형적으로 정수형 숫자
  • cf. PPID: 부모의 할당 ID
• 프로세스 생성
  • fork(): 새로운 프로세스를 생성하는 system call
  • exec(): 만들어진 프로세스로 하여금 실행하도록 하기 위해서 실행파일을 메모리로 가져오기 위해서 복사

ps: process state / ps -a
UID: User ID
PID: Process ID
PPID: Parent Process ID

Process Termination

• 프로세스 종료
  • exit() system call: 해당 시스템 콜을 호출하면 프로세스가 종료됨
  • 해당 프로세스가 가졌던 모든 자원(메모리, 파일, 입출력 장치 등..)은 OS에게 반환: 이 OS는 이 자원을 필요로 하는 애한테 다시 보내줄 것이다.

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CPU Scheduling

Ready Queue에서 프로세스들이 CPU의 서비스를 받기 위해 기다리는데, 현재 CPU에서 하고 있는 작업이 끝나게되면 어느 프로세스를 가져올지 결정하는 것

• Preemptive vs Non-Preemptive (선점 vs 비선점)
  • Preemptive: CPU가 어떤 프로세스를 막 실행하고 있는데, 아직 끝나지도 않았고 IO를 만나지도 않았음에도 강제로 쫓아내고 새로운게 들어갈 수 있게하는 스케줄링 방식
  • Non-Preemptive: 이미 한 프로세스가 진행중이면 절대 스케줄링이 일어나지 않는 것
• Scheduling criteria(스케줄링 척도)
  • CPU Utilization(CPU 이용률, %): CPU가 얼마나 놀지 않고 일하는가?
  • Throughput(처리율, Jobs/ms): 시간당 몇개의 작업을 처리하는가?
  • Turnaround time(반환시간, m/s): 작업이 들어온 시간부터 끝날때까지의 시간
  • Waiting time(대기시간, m/s): cpu 서비스를 받기 위해 얼마나 기다렸는가?
  • Response time(응답시간): 처음 응답이 나올때까지의 시간, interactive computer에서 중요

CPU Scheduling Algorithm

• First-Come, First-Served(FCFS): 먼저 온놈을 먼저 작업한다.
• Shortest-Job_First(SJF): 작업시간이 짧은 놈을 먼저 작업한다.
  • Shortest Remaining-Time-First
• Priority: 우선순위가 높은 놈을 먼저 작업한다.
• Round-Robin(RR): 빙빙 돌면서 순서대로 작업한다.
• Multilevel Queue : Queue를 여러개 둔다.
• Multilevel Feedback Queue

First-Come, First-Served(FCFS)

• simple & fair: 먼저 온 놈을 먼저 작업한다. 제일 간단하고 공평한 방법이다. 그러나 정말 좋은 방법인가?
  • 꼭 좋은 성능을 나타내는 것은 아니다.
• example: Find Average Waiting Time
  • AWT = (0+24+27)/3 = 17 msec cf.3 msec!

3개의 프로세스가 거의 동시에 Ready Queue에 도착했다고 해보자.

• Gantt Chart

• Convoy Effect(호위효과): cpu 실행시간을 많이 쓰는애가 딱 앞에 있으면 나머지 애들이 뒤를 따라다니며 기다리고 있는 모습-> FCFS 의 단점
• Non-Preemptive Scheduling: p1이 끝날때까지 나머지는 못들어감.

Shortest-Job_First(SJF)

실행시간이 가장 짧은 작업을 가장 먼저 실행함으로써 짧게 끝나는 프로세스를 앞장세워야 전체 대기시간이 줄어들게 함

• Example : QWT = (3+16+9+0)/4 = 7msec
  • ch. 10.25msec(FCFS)
• Provably optimal!
  • 대기시간을 줄이는 측면에서는 가장 좋은 방법!
• Not realistic, prediction may be needed
  • 비현실적이다. 실제로 이 프로세스가 얼마를 사용할지를 우리는 알수가 없다. 실제 돌려보기 전까지는 전혀 알수가 없다. 그래서 가장 이상적이지만 비현실적이다. 실제로 사용하기에는 예측을 할 수 밖에 없다. 예측하기 위해서는 os가 그동안 cpu를 사용했던 시간들을 다 정리해놓고 예측을 하는 것이긴 이 예측을 하기 위해서는 overhead가 많은것이고 그 만큼의 계산도 많이 들게된다.

• Preemptive or Non-Preemptive

• cf. Shortest-Remaining-Time-First(최소잔여시간 우선): 남아있는 시간이 얼마나 짧은가가 우선시가 된다.

• Example
  • Preemptive: AWT =(9+0+15+2)/4 = 6.5msec
  • Non-Preemptive: 7.75 msec

Priority

• typically an integer number
  • Low number represents high priority in general(Unix/Linux)
  • 우선순위, 컴퓨터 프로그램에서는 정수값으로 나타내는데 대부분의 운영체제에서는 숫자가 작을수록 우선순위가 높아진다.
• Example
  • AWT = 8.2 msec

• 우선순위는 어떻게 정하는가?
  • Internal: time limit, memory requirement, i/o to CPU burst…
    • 내부: 짧을수록, 메모리를 적게 사용할수록, io시간이 길고 CPU 사용시간이 적을수록..
  • External: amount of funds being paid, political factors…
    • 외부: 돈을 많이 낸쪽을 먼저, 정치적인 요소일수록..
• Preemptive or Non-Preemptive
  • 둘다 만들 수 있음
• Problem
  • Indefinite blocking: starvation(기아)
    • 한 프로세스가 끝나고 그 다음 우선순위가 작동을 하게 되는데, 이 와중에도 외부에서는 계속해서 작업들이 들어올것이다. 그런데 아무리 오래 기다리고 있다고 하더라고 새로 들어오는 애들이 더 우선순위가 높다면 이전에 있던 애들 중에서도 계속해서 메모리에 올라가지 못하는 애들이 있을 것이다.
  • Solution: aging
    • 오래 기다릴수록 우선순위를 조금씩 올려주는 것. 레디큐에 오래 머물고 있다면 점진적으로 우선순위를 조금씩 올려줘서 실행을 할 수 있도록 해줌.

Round-Robin(RR)

빙빙돈다. 빙빙 돌면서 스케줄링한다.

• Time-Sharing system(시분할/시공유 시스템): TSS에서 많이 사용하는 방법
• Time quantum(Δ) 시간양자 = time slice (10~100msec) -> 1초동안에 보통 10~100번의 스위칭이 일어난다는 것을 의미!
  • 세 개의 프로세스가 있고 동일한 시간동안 돌아가면서 작업이 이루어지고 이 동일한 시간을 time quantum이라고 한다. 시간양자라고도 한다. 시간의 양. 시간 조각.

• Preemptive scheduling: p1이 안끝났다고 하더라도 일정 시간이 지나면 다음 프로세스로 넘어가기 때문에

• Example
  • AWT = 17/3 = 5.66msec

• Performance depends on the size of the time quantum: time quantum의 크기에 굉장히 의존적이다.
  • Δ = ∞ : 해당 프로세스가 다 사용되고 나면 스위칭됨으로 FCFS와 같다.
  • Δ = 0 : Processor sharing(* context switching overhead)
    • 스위칭이 워낙 빈번하게 일어나서 3개의 프로세스가 거의 동시에 이루어지는것처럼 보여진다.
    • 실제로 TSS가 굉장히 빈번히 스위칭이 일어나니까 동시에 프로세스를 사용하는 것처럼 보인다.
    • 근데 이는 context switching overhead가 굉장히 빈번하게 된다.
    • Dispatcher(p1에서 p2로 넘어갈때 p1의 내용을 저장하고 p2를 로드해오는 시간을 context switching overhead라고 함)가 빈번하게 되면 결코 좋은 방법이 아니다.

그래서 time slice를 너무 작게 하면 안된다.

• Example: Average Turnaround time(ATT)
  • ATT = 11.0 msec(time quantum = 1), 12.25msec(time quantum=5)
    • 반환시간. 처음 들어간 시간부터 나온시간까지

    

time quantum을 얼마로 잡는가에 따라서 ATT가 되게 클수도 작을 수도 있다. 이에 따라서 성능이 달라진다. 좋은 time quantum을 잡는것이 중요하다.

Multilevel Queue Scheduling

• Process group: 실행중인 프로그램들을 그룹할 수 있다.
  • system processes: os안에서 작업하는 것.
  • Interactive processes: 사용자와 대화하는 프로그램, 게임같은 것.
    • 대화하지 않는 프로그램 : compile같은 것.
  • Interactive editing processes: 컴퓨터와 대화를 굉장히 많이한다.
  • Batch processes: 꾸러미, 일괄적으로 처리하는것, 일괄적으로 컴퓨터가 알아서 하니까 내가 관여할 것이 없다.
  • Student processes

프로세스들은 이렇게 그룹을 지을 수 있다. 성격이 다양한 애들을 동일한 줄에 세우는것은 안되는것. 그러니 큐를 하나만 두는것이 아닌 여러개를 두게 되었다.

• Single ready queue -> Several separate queues: 여러차원을 둔다.
  • 각각의 Queue에 절대적 우선순위 존재: system > interactive > batch > Student
  • 또는 CPU time을 각 Queue에 차등배분 : 한정된 CPU시간을 차등으로 배분
  • 각 Queue 는 독립된 scheduling 정책: 각각 프로세스마다 독립된 스케줄링 정책을 사용

Multilevel Feedback Queue Scheduling

Queue를 여러개 두는것은 같으나

• 복수개의 Queue

• 다른 Queue로의 점진적 이동

  • 모든 프로세스는 하나의 입구로 진입
  • 너무 많은 CPU time 사용시 다른 Queue로
  • 기아 상태 우려시 우선순위 높은 Queue로!

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프로세스 관리 (Process Management) = CPU 관리

프로그램 vs 프로세스

프로세스(process, task, job..): program in execution, 실행중에 있는 프로그램을 프로세스라고 한다.

즉, 하드디스크 안에는 프로그램, 메모리 안에는 프로세스라고 부른다.

cpu는 메인메모리 안의 process들을 관리하고 이를 관리한다는것은 cpu가 할당되어지는 시간을 관리하는 것을 의미한다.

Multiprogramming

• new: 하드디스크로부터 메인메모리로 프로세스가 올라온 상태
• ready: 모든 초기화를 끝내고 진짜 실행할 모든 준비가 다 된 상태
• running: 실제로 cpu에 의해 실행상태가 됨, cpu가 실제 실행하는 상태 = 러닝 상태
• waiting: 프린트할때는 cpu가 더이상 해당 서비스가 아닌 다음 프로세스로 넘어가 다른 프로세서의 러닝상태를 만들어주고 cpu가 실행하고 있던 프로세스는 웨이팅 상태
  • 근데 이때 프린트를 다 하고 끝나면 다시 레디 상태로 온다. 즉 다시 cpu 서비스를 받을 준비를 하고있다는 상태.
• terminated: 프로그램이 끝난 상태

TSS

IO를 만나지 않더라도 일정 시간이 지나면 강제로 스위칭!

• time expired: 자기에게 주어진 일정시간이 지나면 자동으로 레디로 감

PCB(Process Control Block)

• 프로세스 제어 블록으로 TCB(Task Control Block)이라고도 부른다.
  • 이 블락안에는 프로세스에 대한 모든 정보들이 들어있음
  • 한 개의 프로세스에 대해 한 개의 PCB가 할당되며 PCB에는 프로세스에 대한 모든 정보가 들어있다.
• 프로세스의 상태(process state)- running, ready, waiting…
• 번지정보(PC, program counter)
• register: 다른 레지스터들의 정보
• MMU info(base, limit)
• CPU Time
• PID(Process ID, 프로세스마다의 번호)
• list of open files(어떤 파일들을 사용하고있는지) ….

프로세스는 사람과 비슷한데, 이 PCB는 OS안의 process management 안에 들어있다. 모든 정보를 가지고 있어야 관리가 가능하고 관리를 하려면 모든 정보가 필요하다. 프로세스에 대한 정보는 모두 os안의 프로세스 관리 안에서 다 가지고 있다.

Queue

하드디스크에는 수많은 프로그램들이 있지만 이 모든 프로그램들을 메인메모리가 다 받아줄 수는 없다. 그렇기 때문에 하드디스크에서 메인메모리로 가는 과정에 대기하는 줄이 있고 그것을 Job Queue라고 한다. 그리고 메인메모리에 올라왔다고 해서 바로 서비스를 받지도 못한다. CPU는 하나뿐이기 때문에 결국 한번에 작업은 하나밖에 받지를 못한다.

즉, CPU의 작업을 받기위해서도 줄을 서서 기다려야 한다. 작업을 하고 있는 와중에 IO를 하기 위해서라도 줄을 서서 기다려야 한다.

• Job Queue: 하드디스크에서 메인메모리로 올라올때의 대기줄
• Ready Queue: 메인메모리에서 CPU 서비스를 받기 위한 대기줄
• Device Queue: 프린트나 하드디스크와 같은 디바이스를 사용하기 위한 대기줄

하드디스크에서 메인메모리로 가는 프로세스의 우선순위는 어떻게 정해지는가?

= Job scheduler(long-term scheduler): 메모리에 어느 프로세스를 올릴지를 결정하는 코드로 이미 메인메모리가 꽉 차여있다면 결정할 필요가 없다.
어느 한 프로세스가 끝나 메모리가 비어지면 결정을 내리는 것으로 스케줄링은 자주 일어나지 않다.

= CPU scheduler(short-term scheduler): 프로세스간의 스위칭이 빠르게 돌아가야 한다. 1초에도 수십번씩 일어남. 컴퓨터에서는 CPU가 제일 중요!

= Device scheduler

• OS안의 Process Management안에는 줄이 많이 서있다.(Job, Ready, Device Queue)
• 각 줄 안에는 프로세스들이 줄을 서서 기다리고 있고
• 각 줄에서 어느 프로세스를 먼저 꺼내서 할지를 결정하는 것은 scheduler 프로그램이 결정한다.

멀티 프로그래밍

현대의 운영체제는 대부분 다 멀티 프로그래밍이다. (하나의 메모리에 여러개의 프로세스를 올리는 것)

• Degree of multiprogramming: 멀티프로그래밍의 정도로 메인메모리에 프로세스가 몇개 올라가져있는가를 살펴본다.
• I/O-bound process vs CPU-bound process

: 프로세스를 크게 두개 종류로 나눔
-> I/O-bound process: IO관련 작업만 하는 프로세스, 워드같은 프로그램
-> CPU-bound process: CPU 사용하는 프로세스 (계산 많이 하는 프로세스), 슈퍼컴퓨터 사용하는 애플리케이션. 일기예보 등

골고루 사용되기 위해 job scheduler가 적절히 올려주는 것이 중요! 즉, os는 적당히 io와 cpu가 일하도록 해줘야한다!

• Medium-term scheduler

: 대화형시스템(TSS)에서…

-> 서버컴퓨터를 두고 여러 사용자가 컴퓨터를 사용하고 있다고 하자. 서버컴퓨터 내의 메모리에는 각각 사용자에 대한 프로세스들이 준비되어있을 것이다. 그런데 한 사용자가 잠시 작업을 중단했다고 하자. 그렇다는 것은 그 사용자를 위한 메모리는 현재 준비되어있지만 아무것도 하고 있지 않음을 의미한다. 실제 CPU 또한 그 사용자의 일을 하지 않을 것이다. CPU 입장에서는 해당 사용자의 메모리 사용이 아까울 것이다. os의 프로세스 관리부서(cpu사용시간을 관리하는 부서)에서 메모리를 사용하지 않음을 발견하고 이를 하드디스크에 메모리 전체를 쫓아낸다.(swap out) 비어진 메모리 공간에는 다른 프로세스를 올릴수도 있고 나머지 프로세스의 메모리 크기를 더 크게 해줄 수 있게 된다.

• swapping: 메인메모리에서 하드디스크로 쫓아내는 행위(swap out) 프로세스 이미지를 쫓아내는 행위로서 디스크를 사용하는 것(backing store-swap device), 사용자가 다시 돌아와서 해당 프로세스를 사용하고자 하여 디스크에 들어갔던 프로세스를 다시 메모리로 가져오는 행위(swap in) 이 모든 행위를 swapping이라고 한다.

즉, medium-term scheduler은 스케줄링이 중간 즈음에 일어나는 것을 의미한다. os가 지켜보고 있다가 어떤 애를 몰아낼 것인지를 결정하는것으로 os가 쭉 메모리를 뒤져가지고 현재 사용되지 않은 어느 놈을 하드디스크로 몰아낼 것인가를 결정하는 것을 의미한다.

• Context switching(문맥전환)

프로세스가 메인메모리에 여러개 있어도 CPU에서는 하나밖에 일 하지 못한다. 따라서 프로세스간의 이동을 말한다.

• Scheduler: 다음에 무엇을 할지를 결정하는것. 지금 프로세스 다음 어느 프로세스를 할 것인지 결정하는 컴퓨터 프로그램
• Dispatcher: 실제로 스케줄러가 선택한 프로세스를 실행하도록 상태, 값을 바꾸어주는 행위 -> p1의 현재 상태를 os의 PCB에 다 저장해놔야 한다. 나중에 다시 돌아왔을때 그 상태로 돌아갈 수 있도록 -> MMU의 base, limit 정보도 PCB에 저장해놓는다 -> p1에서 p2를 넘어가려면 p1의 현재 상태를 PCB 에 저장해놓아야 한다. -> restore -> 이는 os안의 Dispatcher라는 프로그램이 해준다. -> context switching overhead: 저장하고 복원할때마다의 부담이 있기 때문에 이를 너무 자주하면 안된다. overhead의 숫자가 너무 많아진다. 이를 줄이는게 좋음!

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application: 하드웨어의 자원을 사용
hardware: resource
os: 하드웨어 자원을 효율적으로 어플리케이션에게 나누어줌

이런 os에는 여러가지 관리들이 있는데

• process management(cpu, 프로세서 관리)
• memory management(메인메모리 관리)
• file management(하드디스크)
• IO management
• networking
• protection..

그러면 각 부서에서는 무슨일들을 하는가?

1. 프로세스 관리(Process Management)

프로세스: 실제 메인 메모리에서 실행 중인 프로그램 (program in execution)

cpu에 의해서 실행되는 프로그램은 메인 메모리 위로 올라와있는 프로그램이니까 cpu와 관련해서는 프로그램관리가 아닌 프로세스 관리라고 한다. 이들은 os의 프로세스 관리 부분이 처리해준다.

• 프로세스의 생성, 소멸(creation, deletion)
• 프로세스 활동 일시 중지, 활동 재개(suspend, resume)
• 프로세스 간 통신 (interprocess communication, IPC)
• 프로세스 간 동기화 (synchronization)
• 교착상태 처리(deadlock handing

2. 주기억장치 관리(Main Memory Management)

• 프로세스에게 메모리 공간 할당(allocation)
• 메인메모리의 어느 부분이 어느 프로세스에게 할당되었는가를 추적/감시
• 프로세스 종료 시 메모리 회수 (deallocation)
• 메모리의 효과적 사용
• 가상메모리: 물리적 실제 메모리보다 큰 용량 갖도록 해줌
  • 일반적으로 메인메모리는 보조기억장치에 비해서 용량이 작다. 실제 메모리는 조금밖에 없지만 크게 보이도록 하는 기술이 가상메모리임

3. 파일관리 (File Management)

Track/Sector로 구성된 디스크를 파일이라는 논리적 관점으로 보게 관리

• 파일의 생성과 삭제(file creation/deletion)
• 디렉토리(directory)의 생성과 삭제(또는 폴더 folder)
• 기본동작지원: open, close, read, write, create, delete
• track/sector - file 간의 매핑(mapping)
• 백업(backup)

4. 보조기억장치 관리 (Secondary Storage Management)

하드디스크, 플래시 메모리 등

• 빈공간 관리(free space management): 처음에는 블락들이 하나도 사용안되고 있다가 사용된다면 그 해당 공간들을 관리
• 저장공간 할당(storage allocation): 3개의 블락이 필요하다면 비어있는 공간중에 어느 블락을 사용할것인지 처리
• 디스크 스케줄링(disk scheduling): 블락들이 흩어져있는데 헤드를 많이 움직이면 시간이 많이 걸릴테니 최소한의 움직임으로 원하는 track/sector를 읽어올 것인가를 결정

5. 입출력장치 관리 (I/O Device Management)

장치 드라이브 (Device driver), 장치를 사용하기 위한 드라이브가 필요한데 이 드라이브는 os에 포함되어있다.

• 입출력 장치의 성능향상: buffering, caching, spooling
  • buffering: 입출력장치에서 읽은 내용을 일단 메모리에 들고옴, 그래야 나중에 또 그 파일을 쓸때 시간을 줄여서 사용할 수 있다.
  • caching: buffering과 비슷
  • spooling: 메모리 대신 하드디스크를 중간매체로 사용. 프린트로 글자를 찍는다면 프린트는 속도가 느리니까 일단 하드디스크에 저정하고 그 내용을 프린트에 보냄으로써 그 사이 cpu는 다른일을 할 수 있도록 한다.

시스템 콜(System calls)

일반 애플리케이션 서비스가 os가 제공하는 서비스를 받기 위해서 호출하는것. 즉, 운영체제 서비스를 받기 위한 호출을 의미한다.

• Process: end, abort(강제종료), load(하드디스크의 프로그램을 메모리에 가져오는 것), execute, create(프로세스를 만들고), terminate(=end), get/set, attributes, wait event, signal event
• Memory: allocate, free(메모리 되돌려줌)
• File: create, delete, open, close, read, write, get/set attributes
• Device: request, release, read, write, get/set attributes, attach/detach devices
• Information: get/set time, get/set system data
• communication: socket, send, receive

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이중모드(Dual Mode)

한 컴퓨터를 여러 사람이 동시에 사용하는데 한 사람이 고의/실수로 잘못된 명령을 내리면 그 영향이 전체에 미칠 수 있다.

cpu를 다운 시키는 명령어에는 stop, reset, halt가 있는데, 어떤 사용자가 프로그램을 하드디스크에 깔면서 stop이라는 명령을 넣어뒀다고 하자. 이후 프로그램을 실행시키면 해당 프로그램은 메인 메모리로 올라가게 될 것이고 stop명령을 cpu가 들고와 실행한다면 cpu는 정지하게 된다. 정지된 cpu가 다시 동작하는 방법은 컴퓨터를 껏다 키는 방법 뿐이다. 서버컴퓨터일수록 그 시간은 더 오래 걸리고 혼자 사용하는거면 그나마 났지만, 여러명이 하는 컴퓨터일수록 치명적인 상황을 초래할 것이다.

그래서 사용자 프로그램(일반 유저)들은 이런 명령어를 사용하면 안된다. 즉, 오로지 관리자만 내릴 수 있어야한다. 그래서 이중모드를 만들었다.

이중모드란 cpu가 동작하는 모드를 2가지로 두겠다는것을 의미한다.

• 사용자(user) 모드: 일반 사용자가 사용하는 모드
• 관리자(supervisor,시스템(system), 모니터(감시자, monitor), 특권(privileged mode) 모드: 컴퓨터에서 관리자는 os

cpu가 메모리에 있는 명령을 읽어와서 실행하는데, os에 있는 명령을 실행할 적에는 cpu가 관리자 모드에서 동작하도록 하고 일반 유저 영역의 메모리를 가져와 실행하면 사용자모드에 있도록 한다.

특권명령(privileged instruction): 관리자 모드에서만 내릴 수 있는 명령인 stop, halt, reset, set_timer, set_HW 등 은 일반 사용자가 아닌 반드시 os(운영체제, 관리자)만이 내릴 수 있도록 한다.

이중모드는 어떤식으로 만드는가?

cpu안에는 레지스터(비트들의 모음. 32bit라고 하면 비트가 32개 들어있음), alu, cu도 있는데, 이 비트들에는 어떤 프로세서(cpu)의 상태를 알려주는 비트를 둘 수 있다.

• 캐리(carry)
• negative: 연산의 결과가 음수가 나왔을때
• zero: 앞의 연산이 0이 나올때
• overflow: 앞의 연산이 그 연산 결과가 자리 범위를 넘었을때

fleg :깃발, 사건이 일어나면 깃발을 들고 사라지면 내리는 것과 같이 상태를 나타내는 것을 플래그라고 한다 즉, 1이면 발생한것이고 0이면 발생 안한 것!

이중모드에서 갑자기 플래그?

레지스터 안에 있는 1개의 비트를 모니터 비트로 할당해서 이중모드를 나타낸다.(이중모드를 나타내는 비트를 하나 더 추가한다. 그때 비트의 이름이 monitor, system 등이다.)

즉, 1이면 시스템 모드, 0이면 유저 모드!

처음 파워를 키면 부팅을 통해 os가 메인메모리로 올라가고, 올라가는 도중에는 모두 모니터 비트가 다 1(시스템모드)이다. 즉, os가 동작할 적에는 시스템모드에서 동작한다(os가 모든 명령을 다 내릴 수 있다) 그래서 os 부팅이 끝나면 이제 메모리에 사용자 프로그램을 올릴 것이고, cpu는 그 프로그램을 실행하게된다. 이때는 유저모드가 동작한다. 즉, os가 돌적에는 시스템 모드지만 이제 os에서 사용자 프로그램으로 갈 적에는 os의 비트를 0으로 만들어줌으로써 유저 모드가 되도록 한다. 그래서 사용자 프로그램이 동작할 때는 유저모드에서 동작하는 것이다.

os가 새로운 프로그램을 실행하면 그 프로그램가 올라오고 (os가 해당 프로그램을 하드디스크에서 메모리로 올리는 행위) os가 프로그램을 메모리에 올리고나면 cpu에서는 프로그램이 실행되기 직전에 해당 비트를 1에서 0으로 만들어준다. 그래서 사용자프로그램이 사용될때는 사용자모드에서 동작이 된다. 따라서 사용자 프로그램에서는 stop과 같은 특권 명령어는 사용하지 못한다.

만약 내가 사용자프로그램에서 햇던 행위를 하드디스크에 저장하고싶다면?

프로그램 자체가 하드디스크에 저장을 해도되지만 문제가 많다. 이는 곧 유저 프로그램이 하드디스크에 접근이 가능하다는 것인데, 그 의미는 하드디스크의 남의 파일애도 접근이 가능하다는 뜻이다. 즉 서버컴퓨터에는 여러 사용자들의 파일들이 저장되어있을텐데 다른 사람들의 파일에도 접근이 가능하다는 의미로 일반 사용자프로그램이 하드디스크를 직접 접근하는것은 보안에 심각한 문제를 끼친다.

즉, 일반 프로그램이 하드디스크에 접근하는 할 때에는 해당 프로그램이 os에 부탁을 해야한다. 이 부탁은 swi를 이용해서 부탁한다.

swi가 온다면 cpu는 지금 하는 일을 중지하고 os의 isr로 접근하여 하드디스크에 저장할 수 있도록 한다. os로부터 인터럽트를 걸어서 cpu의 모드가 1로 변경되면 이제 os에서는 무슨 명령이든 내릴 수가 있게되고 이때 유저 프로그램에서는 그 어떤 명령들도 내릴 수가 없게된다. 이제 저장을 하고나면 다시 유저영역으로 돌아오고 모니터비트를 다시 0으로 바꿔준다.

대부분의 모든 cpu는 이중모드를 지원한다. (모니터를 나타내는 비트가 따로있음) 그래서 절대 일반유저가 특별한 명령을 내리지 못한다.

만약 내리려면 어떻게 될까?

cpu가 그 명령을 읽어왔는데 모니터비트가 0임을 확인했는데 유저모드에서 stop명령이 왔다면 cpu는 이 명령이 잘못된 명령이라고 생각해서 내부적으로 인터럽트가 발생했다고 생각한다. 그래서 os의 isr(해당 프로그램이 잘못된 명령을 내렸을때 처리하는 루틴)을 통해 그 프로그램을 강제로 종료시킨다. 즉 바로 메모리에서 삭제시켜버린다.

이중모드는 이런면에서 보호와 관련이 있다.(protection)

컴퓨터에서 보호받아야하는 3가지

1. 입출력장치 보호(IO, Input/Output device protection)

일반사용자가 하드웨어를 자기멋대로 사용할 수 있도록 하면 안된다.

• 서버컴퓨터는 동시에 여러사람이 사용하는데 거기에 프린트가 달려있다고 하자.
• 한 사용자가 프린트를 사용하고 있는데 다른 사용자가 그 프린트에 대해 리셋 혹은 자기도 찍겠다고 신호를 보낸다면 프린트의 한줄에는 다른 사람꺼도 찍히게 된다.
  • 프린트 혼선, 강제 리셋 발생
• 혹은 프린트 말고도 서버컴퓨터에는 대용량 하드디스크도 달려있다.
• 하드디스크에 여러사람들의 파일들이 들어있을텐데 뿐만 아니라, 자신의 중요정보를 하드디스크에 저장했는데 이를 마음대로 누군가 접근해서 보면 안된다.
  • priviliged instruction violation
  • 그러니까 프린트, 하드디스크 등은 아무나 볼 수 없도록 보호를 받아야 한다.

이를 보호하려면, 이 접근 자체를 못하도록 하려면 입출력장치를 제어해야한다. 입출력장치와 관련이 있는 명령어들은 아래와 같다.

-> in(키보드나 마우스 같은 입출력 장치로부터 정보를 받아들이는 것), -> out(출력장치에 명령을 내리는것(출력을 내보내라고), 프린트, 디스크, 스피커, 램 등)

-> 이런 명령어들을 priviliged instruction 함으로써 os만 내릴 수 있도록 해야한다. 즉, 입출력 관련 명령어는 무조건 특권명령어이다.

2. 메모리 보호 (Memory protection)

유저1 프로그램이 돌면서 해당 프로그램이 유저 2,3 메모리 영역을 읽으려고 하거나 혹은 os안의 값을 바꾸려고 한다면 이를 해킹이라고 하고 이는 보호받아야한다.

• cpu에서 메모리로 address bus(몇번지를 읽겠다는 명령)가 가면 data bus(몇번지에 해당하는 데이터)를 통해 cpu로 오게 된다.
• 일반 유저프로그램이 os나 다른영역에 가지 않게 하려면 address bus를 잘라버려야 하는데, 이는 자기 영역에도 못들어가게 함으로 해결책이 되지 않는다.

그러면 다른 방법은 address bus에 문지기를 세워두는 것!

어떤 주소를 보낼 적에 그 주소가 해당 영역에 해당되는 주소가 맞다면 문지기가 통과시켜주고 벗어나면 문지기가 거절을 내버림.

문지기(MMU: Memory management unit)는 실제로 레지스터를 둔다. base, limit 이런식으로 base에서 limit 사이에 들어오면 통과, 벗어나면 cpu로 다시 인터럽트 신호가 가도록한다. 인터럽트 신호를 보내주면 cpu는 하던일을 중지하고 os의 isr로 점프하고 해당 isr는 잘못된 번지를 읽으려고 시도하면 그 프로그램을 강제로 종료시킨다.

segment violation : 영역에 대한 침범 > 해당 에러를 발생시키며 강제 종료시킴!

이 mmu의 base, limit 값 설정은 os가 해준다. 이 값을 바꾸는 것은 특권명령으로 해서 올려둬야한다.

3. CPU 보호 (CPU protection)

cpu도 어떤 침범 대상이 된다. 만약 유저 1가 cpu 시간을 독접하게 되어버리면 문제가 될테니까..

따라서 해당 프로그램마다 timer를 둔다. timer는 일정 주기로 cpu에 인터럽트를 걸도록 회로가 설계되어있다. 그러면 해당 시간마다 인터럽트가 걸리면 cpu는 os의 isr로 점프하고 해당 isr에는 해당 cpu가 골고루 돌아가고 있는지를 체크하고, 오랜 시간이 지났는데도 한 유저에게만 묶여있다면 isr이 cpu로 하여금 강제로 해당 프로그램이 아닌 다음 프로그램으로 넘어가도록 조정해준다.

즉, 어느 한 유저프로그램에만 묶여있지않도록 한다. 그래서 timer를 두면 일정시간 지나면 인터럽트 걸리고 해당 isr로 점프하게 되어 해당 루틴이 너무 묶여있는 것 같다면 다음 프로그램으로 넘어가도록 한다.