Operating System definitions

Operating System definitions

Operating System은 Software이다.

1. Computer Hardware를 관리해주는 프로그램이다.
2. 다른 여러 프로그램들을 실행할 수 있도록 조정해주는 프로그램이다.

The General Roles of the OS

• Hardware management
  • Access to I/O devices
  • Access to files
  • Accounting
  • Error detection
• Program execution
  • Scheduling
  • Error reporting

Computer System Structure

• Hardware – provides basic computing resources
  • CPU, memory, I/O devices
• Users
  • People, machines, other computers
• Operating system
  • Hardware 리소스들을 잘 정리해서 Application Program이 잘 수행될 수 있도록 도와주는 것
• Application programs
  • HW와 OS이 제공해주는 여러 서비스들을 이용해서 실제 User가 필요한 목적을 제공해 줌
  • Word processors, compilers, web browsers, database systems, video games

OS는 어디에 위치하는가?

Application Programs와 Computer HW사이에 위치한다.

Objectives of the Operating Systems

1. User가 Application Program을 더 쉽게 만들수 있게 한다.
2. Computer System을 사용하기 쉽게 만들어야 한다.
3. Computer HW를 효율적인 방식으로 사용하게 해야 한다.

이 목표는 상황에 따라 중요도가 달라진다.

Computer Systems organization

OS는 Resource Manager이다.
Computer System을 관리하는 것이므로 이를 간단히 보면,

• Personal computers
• Large-scale Systems
• Hand-held Systems
• etc..

Computer Structure

많은 컴퓨터들은 기본적인 구조를 가진다.

• Memory
  • 들어가는 종류는 Data, SW가 올라간다.
• CPU
  • Memory에 올라가 있는 데이터들을 실행시킨다.
  • 사실상 cpu와 memory만 있어도 컴퓨터라고 할 수 있다.
• Disk
• I/O Device

OS는 위 자원들을 관리한다.

• 모든 리소스들은 Memory를 통해 소통을 한다.
• CPU와 디바이스들은 Memory Cycle를 기반으로 동작하게 된다.
  • CPU의 동작속도는 메모리보다 훨씬 빠른 속도로 동작한다.
    • 따라서, CPU의 memory cycle을 2^n배로 증폭하여 사용한다.
  • 다른 리소스들은 메모리보다 속도가 느리다.
    • 이를 위해 Resouces는 Buffer를 통해 메모리 속도를 맞춘다.
• CPU가 메모리와 일을 하고 있더라도 다른 Resource들은 기다릴 필요가 없다.
  • 자신의 Controller와 소통하면 되기 때문이다.
• BUS
  • Data를 공유하는 공유 매체이다.
  • 이 회로를 통해 memory와 데이터를 교환한다.
  • CPU와 Memory로 연결된 BUS는 Main BUS이다.

Four Basic Principles

OS의 핵심 역할

1. Computer System I/O operation
2. I/O structure
3. Interrupt
   • 상당히 빠른 CPU와 상대적으로 느린 기기들과 어떤 시점에 데이터를 교환해야 하는지 알려주는 중요한 메커니즘
4. Storage Structure
   • 메모리와 Disk가 어떻게 구성되어 있어서 잘 활용하는가

Computer-system I/O operation

I/O Devices와 CPU가 동시에 실행될 수 있다.

• DMA(Direct Memory Access)
  • 특정 주변 장치에 대해서 CPU가 신경쓰지 않고 Memory로부터 직접 데이터를 받아갈 수 있도록 허용해 줌
• 각각의 Device들이 자신만의 Controller를 가지고 있다.
  • 각 Device Controller는 로컬 버퍼를 가지고 있다.
  • CPU는 데이터를 main memory로 부터 로컬 버퍼로 옮기거나 가져온다.
• Device Controller가 CPU한테 자신의 일을 하겠음 또는 끝냈음을 Interrupt 메커니즘을 통해 알릴 수 있다.

I/O Structure

모든 I/O transactions들은 BUS를 통해 수행된다.

• BUS는 parallel wires의 집합체이다.(address, data, siganl 이 정보를 전달)
  • address bus, data bus, signal bus로 구성되어 있다.
    • address bus와 data bus를 공유하기도 한다.
  • BUS 계층
    • System bus
      • CPU와 I/O Bridge
    • Memory bus
      • I/O bridege와 memory
    • I/O bus
      • 주변 장치들과 연결
• DMA가 전형적으로 사용됨
  • Memory에 있는 데이터를 주변 장치에 보내기 위해 CPU가 계속 일을 해야함
    • CPU가 느려질 수 밖에 없음
    • 이를 위해 DMA가 사용됨
  • bus transaction을 필요로 할때, CPU가 관여하지 않고 bus transaction으로만 메모리에서 주변장치로 데이터를 전송할 수 있는 것
  • CPU가 처음 전송을 해주고 transfer operation이 끝나면 CPU에게 끝났음을 알린다.

DMA Operation

Disk의 Data를 Memory에 올릴 때

1. CPU가 Disk Controller에게 DMA operation을 날린다.
   • 이 명령은 Disk Controller를 조종한다.
   • Memory 어떤 주소에 Disk가 가지고 있는 정보를 보내라고 명령
2. 이후 CPU는 다른 일을 수행한다.
3. Disk Controller가 로컬 버퍼에 데이터를 채우고 그 데이터들을 I/O bridge를 통해 memory로 보낸다.
4. 일이 끝났다면, Disk Controller가 CPU에게 Interrupt를 보내어 끝났음을 알린다.

Interrupt

Interrupt는 interrupt service routine(OS가 가진 프로그램 코드)를 통해서 Control을 한다.

• CPU보다 느린 주변장치들이 혹은 CPU clock 시퀀스에 동기화가 되지 않은 어떤 일들이 발생 했을 때
  • CPU에게 해당 일이 발생했음을 알려주는 메커니즘
• CPU는 Interrupt를 '인식'만 한다.
  • 그 후 CPU에 붙어있는 Interrupt Controller로 어디서 발생했는지 확인
  • 적잘한 동작을 수행한다.
    • 이 적절한 동작을 OS가 한다.
    • interrupt service routine
• Interrupt vector
  • interrupt service routine를 효과적으로 관리하기 위해
    • interrupt 번호에 따라 적합한 코드를 실행
  • Service Routine의 시작주소를 포함하고 해당 번호에 따라 적합한 코드를 인덱싱으로 바로 접근하여 실행할 수 있도록 관리
• Interrupt architecture
  • Interrupt의 정해진 구조
• 물리적인 통로를 통해 주변장치들이 Interrupt를 걸기도 하지만 Software에서 Interrupt를 발생할 수 있다.
  • 이를 software-generated interrupt라고 한다.
  • Trap
    • software-generated interrupt의 정식 명칭
    • User가 필요에 따라 Interrupt를 발생시킬 때
  • 일반적으로 Error가 발생했을 때 프로그램 중단
• Interrupt는 모든 OS의 서비스가 작동하는 기본 메카니즘이다.
  • 매우 중요!
• Interrupt-driven I/O
  • 

CPU의 Interrupt 과정

A프로그램에서 CPU가 입력을 지시하고 CPU는 다른 프로그램을 실행하고 있는다.

1. 다른 프로그램 B가 실행되던 중 A프로그램에서 입력이 종료되었다고 Interrupt가 발생
2. CPU는 실행하고 있던 B프로그램을 저장한다.
3. Interrupt Handler에서 알맞는 Interrupt Vector의 코드를 실행한다.
4. 다시 저장한 프로그램 B를 불러와 이어서 실행한다.

How to save the pre-Program

1. CPU가 실행 중 Interrupt가 들어왔을 때
2. 기존에 있던 Program Counter Register의 값을 어딘가에 저장을 한다.
   • Program Counter Register
     • 다음번 실행할 명령어를 가리키고 있다.
     • 프로그램은 메인 메모리에 올라가 있고, 그 다음 실행할 명령어를 PC에 저장한다.
3. Program Counter Register에 Interrupt vector 0번 index 시작주소를 저장한다.
4. Interrupt 수행 후 다시 다른 곳에 저장했던 기존 PC 값을 불러온다.

Difference between interrupt and trap

• Interrupt
  • Proccesor 외부 이벤트에 의해 발생
  • interrupt pin을 통해 발생된다.
  • e.g. ctrl + c
  • Asynchronous: 비동기화에 쓰임
• Trap
  • instruction을 실행 중에 발생하는 일들
  • Software interrupt라고도 한다.
    • System call
    • Segmentation fault
  • Synchronous: 동기화에 쓰임

Storage structure

• CPU가 직접 접근할 수 있는 것은 Mainmemory뿐
  • 다른 I/O장치 또는 디스크 등 CPU로 처리되기 위해서는
  • Mainmemory에 올려져야 한다.
  • 따라서, 이 올리는 과정을 OS가 해주어야 한다.
• 어떤 프로그램을 실행하기 위해서는 꼭 Mainmemory에 올려져야한다.
  • Mainmemory가 크면 좋다.
  • 하지만 그럴 경우 가격이 너무 세다.
  • 또 전력소모도 상당하다.
  • Mainmemory가 클수록 memory에 접근하는 시간이 더 길어진다.
  • 또한 전원이 나가면 데이터가 전부 사라진다. (DRAM)
• Stable한 저장장치: nonvolatile storage
  • Magnetic disks
    • Disk Controller가 반드시 필요
  • Flash Memory

Storage 분류

• Mainmemory
  • CPU가 직접적으로 접근할 수 있는 메모리
  • 일반적으로 DRAM 사용
• Secondary storage
  • Mainmemory보다 큰 사이즈
  • Nonvolatile storage를 제공하는 것을 목적으로 함

• 컴퓨터가 필수적으로 가져야 하는 저장장치
  • Register
    • CPU가 가지고 있는 저장장치
    • CPU가 직접 접근하는 저장장치
  • Cache
    • main memory의 일부 데이터를 CPU에 조금 더 가까이 저장
      • 빠른 속도로 접근할 수 있도록 도와주는 장치
    • main memory의 일부 데이터로 최근 사용한 데이터를 자동으로 가져옴
    • Cache의 데이터들 불러오고 삭제를 하는 것은 HW가 결정한다.
  • Main memory
    • Secondary Storage의 데이터들을 Main Memory로 올리는 과정을 OS가 해준다.
  • 특징
    • 속도가 빠름
    • 비쌈
    • 전원 공급이 끝나면 데이터가 날라감
• Secondary Storage
  • Electronic disk
  • Magnetic disk
  • Optical disk
  • Magnetic tapes
  • 특징
    • 속도가 느림
    • 가격이 쌈
    • 전원이 없어도 데이터가 남아 있음

Price and Performance tradeoffs

참고삼아 알아둬

수행 능력이 좋으면 가격이 비쌈
가격이 싸면 수행능력 떨어짐
이를 잘 조절하는 것이 필요

시간에 지남에 따라 가격이 달라진다.

• DRAM 과 Disk Access Time이 과거에 비해 매우매우 빨라짐
  • 하지만 CPU의 속도 만큼은 따라가지 못함
• 위 문제를 해결하기 위한 대책이 Caching
  • Cache에 적용된 기술 자체
    • 다음 단계의 데이터 일부만 더 빠르고 사이즈가 작은 영역에 저장을 해둠
    • 그 데이터를 이용해서 느린 속도의 데이터가 빠른 속도처럼 보이게끔 함
    • Secondary Storage에서 Main Memory로
  • HW의 Cache와는 다름
  • Storage에서 일부 데이터를 Caching하여 Main Memory에 적재하는 역할을 OS가 한다.
  • 매우 중요한 Principle이다.

Computer Systems Architecture

• 대부분의 시스템은 Single General-Purpose Proccessor를 사용한다.
  • ex) Intel CPU
  • special-purpose processors도 있다.
    • ex) GPU
• 점점 Multiprocessors systems 사용이 증가하고 있다.
  • 이는 parallel systems이라고 부른다.
  • 장점
    • 처리량 증가
    • scale의 경제성
    • 향상된 신뢰성

Multiprocessors systems 장점

• Increased throughput
  • 성능상 향상되기는 하지만,
  • 코어가 N개 늘어나더라도 성능이 N배 증가하지는 않는다.
• Economy of scale
  • 프로세서가 주변 장치, 스토리지 및 메모리를 공유할 수 있음
• Increased reliability
  • 코어가 하나 고장나더라도 User는 인식못하고 그대로 사용 가능

Multi-Processor systme 종류

CPU가 해야되는 일을 기준

• Asymmetric multiprocessing
  • 여러 개의 프로세서가 존재하지만 Master Processor가 존재한다.
  • Master Processor가 전체 시스템을 관리
  • 나머지 프로세서들은 Master가 시키는 일을 수행한다.
• symmetric multiprocessing
  • 모든 프로세서가 동등한 위치에서 각자 맡은 일을 한다.

Memory Access 기준으로

• Uniform memory access(UMA)
  • 어떤 CPU든지 메모리에 access할 때는 같은 시간을 가진다.
• Non-uniform memory access(NUMA)
  • UMA가 아닌 경우

Multi-core systems

한 개의 칩 안에 여러 개의 코어가 동일하게 들어있는 경우

Clustered Systems

multiprocessor systems이긴 하지만, 일을 따로 하며 데이터만 필요에 따라 공유한다.
기본 목표: 시스템 상에 오류가 발생하더라도 System이 거기에 대응할 수 있도록 한다.

• Asymmetric clustering
• symmetric clustering
• high-performance computing (HPC)
  • 동시의 여러개 프로세스를 빠른 속도로 처리하기 위해서 만든 것

Operating systems structure

기본적으로 OS는 Multiprogramming을 지원한다.

• Multiprogramming: 동시에 여러개의 프로그램들을 실행 가능하게 만드는 것
• 목적
  • CPU와 I/O 장치들을 최대한 바쁘게 굴리기 위함
• 방법
  • Multiprogramming은 여러 개의 job들을 CPU가 그 중 하나를 실행하게 하는 것
    • jop: program
      • 구성 요소: code and data
  • 여러 개의 job들 중에서 수행해야 할 job들 일부를 Main Memory에 넣어 두고
    • 지금 당장 CPU처리를 해야할 job들을 job scheduling을 해서 CPU를 사용할 수 있도록 한다.
• Multiprogramming을 하게 되면 Timeshared system이다.
  • CPU가 작동할 때 시간이 지남에 따라 CPU time이 정의가 된다.
    • CPU time: Resource의 일종
  • CPU time을 공유해서 사용한다.
• Multitasking
  • Multiprogramming의 확장판
  • 마치 여러 개의 프로그램이 동시에 실행 되는 것처럼 보이게 하는 것

Concepts

• CPU scheduling
  • 여러 개의 job들이 ready가 되어 있다가 동시에 run이 되게 할 수있도록
  • CPU를 그 중 일부에게만 할당한다.
  • 즉, CPU를 누가 먼저 사용하는가를 따짐
• Job scheduling
  • Main Memory에 누가 먼저 올라가는가를 따짐
• 프로세스가 메모리에 비해 너무 크다면, 일부 영역만 메모리에 남김,
  • 그리고 나머지는 disk에 저장한다.
  • swapping
    • 필요하지 않은 부분을 내보내고, 꼭 수행해야 하는 부분만 Main Memory로 가져온는 것
• Virtual Memory
  • 실제 MainMemory에 있는 것 보다 훨씬 더 크게 사용할 수 있도록 한다.
  • 당장 사용해야 할 부분만 Main Memory에 올리고 나머지는 virtual memory에 넣어 둔다.
• Program
  • 그저 코드, 실행되지 않은 상태
• Process
  • 실행 중이거나 실행 준비가 끝난 Program
  • Program -> Process
• Job
  • 어찌 되었든 실행 되어야 할 일

Operating system operation

OS는 기본적으로 interrupt 기반으로 해서 서비스를 한다.

• Interrupt는 HW에 의해 발생한다.
• Softeware 에러 또는 request는 exception 또는 trap을 만든다.
  • 사용자가 발생시킬 수 있는 것

OS는 dual-mode operation을 지원한다.

• 분류
  • User mode
  • Kernel mode
    • (= supervisor mode or privileged mode)
• 기본적으로 HW에서 지원이 되어주어야 한다.
• OS는 현재 User mode / Kernel mode 를 확인하면서 일들을 처리한다.
  • User mode 일 경우 제약조건이 많다.
  • Kernel mode는 그런 제약이 없이 Computing 할 수 있도록 기능을 제공함
• Privileged instruction
  • Kernel mode에서만 지원되는 명령어들
  • Example
    • I/O control에 대한 명령어
    • interrupt에 대한 명령어
    • switch to user mode에 대한 명령어