OS_1) Interrupt & System call

2024. 1. 12. 16:38

User mode & Kernel mode

User mode

우리가 개발하는 프로그램(코드)은 일반적으로 유저 모드에서 실행
프로그램 실행 중에 인터럽트(interrupt)가 발생하거나 시스템 콜(system call)을 호출하게 되면 유저 모드에서 커널 모드로 전환

→ Kernel mode

실행중이던 프로그램의 현재 CPU 상태를 저장함.
커널이 인터럽트나 시스템 콜을 직접 처리. 즉, CPU에서 커널 코드가 실행됨
처리가 완료되면 중단됐던 프로그램의 CPU 상태를 복원.
다시 통제권을 프로그램에게 반환하고, User mode로 전환

→ User mode

중단되었던 프로그램이 이어서 실행됨

커널(kernel)

운영체제의 핵심
시스템의 전반을 관리/감독하는 역할
하드웨어와 관련된 작업을 직접 수행

💡 커널 모드가 존재하는 이유는? 시스템을 보호하기 위해. 우리가 작성한 코드가 커널을 통해 시스템 기능, 하드웨어를 사용할 수 있게 함으로써 시스템이 안정적으로 작동할 수 있게 보호하는 것이다.

Interrupt

시스템에서 발생한 다양한 종류의 이벤트 혹은 그런 이벤트를 알리는 메커니즘
CPU와 I/O device가 통신하는 경우에도 인터럽트 발생
하드웨어가 interrupt를 언제든지 trigger할 수 있다.
- System bus를 통해 CPU에 시그널을 보낸다.

인터럽트의 종류

외부 인터럽트
- 전원에 문제가 생겼을 때: 말그대로 정전, 파워 이상 등
- 기계 착오 인터럽트: CPU의 기능적인 오류
- 외부 신호 인터럽트
  - 타이머에 의한 인터럽트: Preemptive 개념. 자원에 할당된 시간이 다 끝난 경우
  - 키보드로 인터럽트 키를 누른 경우: 대표적으로 control+alt+delete, 절전모드 등
  - 외부장치로부터 인터럽트 요청이 있는 경우: I/O 인터럽트 아님
- 입출력 인터럽트(I/O작업)
  - 입출력 장치가 데이터 전송을 요구하거나 저놋잉 끝나 다음 동작이 수행되어야 할 경우
    - 컴퓨터의 핵심은 CPU. RAM과 밀접하게 연관이 되어 있다. 예전에는 cpu가 ram을 직접 통제하였으나 지금은 간접 통제(메모리 매니저 - 입출력 관리자)하는 경우가 많음
      - 메모리 매니저: 브릿지 칩셋
      - 메인보드의 메모리 매니저가 안좋으면 cpu랑 ram이 좋아도 느려짐. I/O management → 예전에는 North Bridge랑 South Bridge에서 나눠서 관리 → Intel이 열받아서 기능 다 가져옴
- 입출력 데이터에 이상이 있는 경우
내부 인터럽트
- 잘못된 명령이나 잘못된 데이터를 사용할 때 → Trap
- 잘못된 메모리 공간에 접근을 시도할 때
- 프로그램 검사 인터럽트
  - Division by zero
    - 컴퓨터는 ‘/’를 연산할 때, ‘-’를 반복하는 방식으로 동작하기 때문에 무한 루프 돌기 때문.
  - Overflow/ Underflow
  - 기타 Exception
소프트웨어 인터럽트(SVC: Supervisor Call)
- 사용자가 프로그램을 실행시키거나 감시 프로그램을 호출하는 동작을 수행하는 경우
- 소프트웨어 이용중 다른 프로세스를 실행시키면 시분할 처리를 위해 자원 할당 등의 동작이 수행된다.

인터럽트 동작 순서

인터럽트 요청
프로그램 실행 중단(CPU 연산 일시정지): 현재 실행중이던 Micro Operation까지 수행한다.
현재의 프로그램 상태 보존: PCB(Process Control Block), PC( Program Counter) 등
⇒ 현재 상태 백업. 인터럽트로 인한 처리 코드가 동작 (Interrupt Service Routine).
인터럽트 처리 루틴 실행: 인터럽트를 요청한 장치를 식별한다.
인터럽트 서비스 루틴 실행: 인터럽트 원인을 파악하고, 실질적인 작업을 수행한다. 처리기 레지스터 상태를 보존한다. 서비스 루틴 수행 중 우선 순위가 더 높은 인터럽트가 발생하면 또 재귀적으로 1~5를 수행한다.
상태 복구: 인터럽트 발생 시 저장해둔 PC(Program Counter)를 다시 복구한다.
중단된 프로그램 실행 재개: PC값을 이용하여 이전에 수행중이던 프로그램을 재개한다.

⇒ 인터럽트가 발생하면 cpu에서는 즉각적으로 (실행중인 명령어까지는 마무리 한 후) 인터럽트 처리를 위해 커널 코드를 커널 모드에서 실행

인터럽트 우선 순위

여러 장치에서 인터럽트가 동시에 발생하거나 인터럽트 서비스 루틴 수행 중 인터럽트가 발생했을 경우 우선순위를 따져서 처리한다.</aside>
<aside> 💡 전원 이상(Power fail) > 기계 착오(Machine Check) > 외부 신호(External) > 입출력(I/O) > 명령어 잘못 > 프로그램 검사(Program Check) > SVC(Supervisor Call)
일반적으로 하드웨어 인터럽트가 소프트웨어 인터럽트보다 우선순위가 높고 내부 인터럽트보다 외부 인터럽트가 우선순위가 높다.

System call

시스템 콜이란 운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해, 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다.
프로그램이 os 커널이 제공하는 서비스를 이용하고 싶을 때 시스템 콜을 통해 실행
종류
- 프로세스/스레드 관련
- 파일 I/O 관련
- 소켓 관련
- 장치(device)관련
- 프로세스 통신 관련
리눅스가 제공하는 시스템 콜 예시
시스템 콜이 발생하면 그에 해당 커널 코드가 커널 모드에서 실행

시스템 콜 & 인터럽트 예제: file read

t1 / t2가 돌아가는 single core cpu 상황[user mode] t1이 Read(System call) 호출[kernel mode] 파일 읽는 작업(ssd) 준비[kernel mode] cpu가 스케쥴링을 통해 t2를 running상태로 변환[interrupt] 파일 읽는 작업 준비 완료 interrupt 발생[kernel mode] t1을 ready 상태로 변경[user mode] k→u로 전환. t2 중단되었던 부분부터 다시 실행[kernel mode] u→k 전환. t2의 cpu 상태 저장[kernel mode] t1의 상태가 running으로 전환됨[user mode] k→u로 전환. t1 실행 중. 파일에서 데이터를 읽어옴
[kernel mode] t1의 cpu 상태 복원
[kernel mode] t2의 상태가 ready로 전환됨
[interrupt] 멀티태스킹 도중 t2에게 할당된 시간이 다 되어서, timer 하드웨어를 통해 interrupt발생
[kernel mode] t2의 cpu 상태 복원
[kernel mode] u→k 전환. t2의 cpu 상태 저장
[user mode] k→u로 전환. t2 실행 중
[kernel mode] t1의 상태가 waiting으로 전환됨
[kernel mode] u→k 전환. t1의 cpu 상태 저장
[user mode] t1은 running, t2는 ready상태

프로그래밍 언어와 시스템 콜의 관계

하드웨어 / 시스템 관련 기능은 어떤 프로그램이라도 반드시 시스템 콜을 통해서만 사용 가능
하지만 우리는 개발할 때 직접 OS 시스템 콜을 사용한 적이 없다.
그럼에도 우리는 지금가지 파일 I/O, 네트워크 I/O, 프로세스/스레드 관련 작업을 해왔다. 이것은 우리가 사용하는 프로그램이 언어들이 시스템 콜을 포장(wrapping)하여 간접적으로 사용할 수 있도록 제공했기 때문.
→ 다시 말해 개발자들은 api를 통해 system call을 호출한다.

EX) java.lang.Thread class

Thread thread = new Thread();
thread.start();

스레드 생성은 System call 이 필요함. java.lang.Thread 클래스를 살펴보면, start 아래에 start0라는 메서드가 있다. private native void start0. 여기서 native는 운영체제를 뜻하는 말. Java Native Interface를 통해서 OS의 System call과 연결이 된다.

참고자료

공룡책 p.62~74
인프런 공룡책 강의 02. 운영체제의 개념과 구조(https://www.inflearn.com/course/운영체제-공룡책-전공강의)
쉬운코드 (https://www.youtube.com/watch?v=v30ilCpITnY)
널널한 개발자(https://www.youtube.com/watch?v=V4lp6iGoUFY)

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