<div id="readability-page-1" class="page"><div><h2 id="컴퓨터-구조">컴퓨터 구조</h2>
<p>간단하게 지난시간 공부한 컴퓨터 구조를 살펴보면 다음과 같다. 오늘도 이 구조를 바탕으로 학습을 진행할 예정이다.<br>
<img src="https://user-images.githubusercontent.com/74946802/112740442-0d9bc980-8fb8-11eb-8213-3882596b8e8f.png"></p>
<ul>
<li>일반적으로 컴퓨터 내부 구조는 CPU, Memory로 구성</li>
<li>외부(I/O장치)는 하드디스크, 모니터, 마우스, 키보드 등</li>
</ul>
<h2 id="cpu의-실행작업">CPU의 실행작업</h2>
<h4 id="메모리와-프로그램-카운터">메모리와 프로그램 카운터</h4>
<p>CPU는 자신의 작업공간인 메모리에 있는 기계어를 하나씩 읽어와서 실행을 하는데, 이때 메모리 어디에 있는 기계어를 가져와서 처리를 하는 것일까? 정확히는 메모리에 있는 기계어 중 무엇을 가져와서 실행할지에 대한 기준은 무엇일까?</p>
<ul>
<li>이에 대한 기준이 프로그램 카운터라는 레지스터</li>
</ul>
<p><img src="https://user-images.githubusercontent.com/74946802/112740586-0cb76780-8fb9-11eb-8cd2-7ec544dfddc1.png">
- 프로그램 카운터가 가리키고 있는 위치의 데이터를 가져와서 실행
<img src="https://user-images.githubusercontent.com/74946802/112740587-0f19c180-8fb9-11eb-9456-80f47c062df4.png">
- 기계어 하나를 실행하고나면 프로그램 카운터는 그 다음 위치로 이동
- 이런식으로 프로그램 카운터라는 레지스터값은 작업이 끝나면 다음 위치, 그 다음 위치를 가리키도록 설계
</p><p>물론 항상 순차적으로 기계어를 읽어서 실행하는 것은 아니다. 앞에서 학습한 바와 같이 Interrupt의 발생, 흐름제어 등으로 인하여 그 순서는 바뀔 수도 있다.</p>
<h2 id="시스템콜">시스템콜</h2>
<p>CPU가 A라는 프로그램을 실행하다가 파일을 읽어야할 경우에는 어떤식으로 작업이 이뤄질까? 파일을 읽어오기 위해서는(Disk에 접근한다면 Disk Controller에게 명령을 통해서) I/O에 접근을 해야하는데, 그러기 위해선 '특권명령'이 필요하다. <strong>CPU에서 I/O에 접근하는 명령은 모두 특권명령으로 묶여있다.</strong></p>
<p>그런데 실행하고 있던 A라는 프로그램이 사용자프로그램이라면? 무슨 방법으로 I/O에 접근할 수 있을까? 이 때는 특권명령을 사용하기 위해 '운영체제'에게 CPU 사용권한을 넘겨줘야 한다. 이를 '시스템콜'이라고 부르고</p>
<blockquote>
<p>"사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것"이라고 이해하면 된다.</p>
</blockquote>
<p>이런 작업을 위해서는 메모리 공간에서의 '점프'가 필요하다. 하나의 프로그램 내에서 작업 순서가 바뀌는 것과는 달리 다른 프로그램(사용자 프로그램에서 운영체제로의)으로 이동하는 것은 다르기 때문이다. 그렇다면 CPU사용권을 어떻게 운영체제로 넘길 수 있을까?</p>
<p>이전 시간에 배운대로 Interrupt를 활용하면 된다. CPU는 하나의 작업을 마치고 항상 Interrput를 확인하기 때문이다. 그러면 이때 Interrput는 누가 요청하는 것일까?<br>
<img src="https://user-images.githubusercontent.com/74946802/112740709-3fae2b00-8fba-11eb-8fc8-e41690a532d4.png"></p>
<ul>
<li><strong>시스템콜</strong>: 운영체제의 권한이 필요한 사용자 프로그램 스스로가 기계어를 통해 CPU에게 요청</li>
</ul>
<p>간단하게 요약하자면 "나 운영체제의 권한이 필요하니까 CPU사용권 좀 운영체제한테 넘겨줘!"라고 요청하는 것과 같다.</p>
<ul>
<li>timer, Disk Controller등의 하드웨어가 발생시키는 Interrupt를 Hardware Interrupt</li>
<li>사용자 프로그램과 같이 소프트웨어가 발생시키는 Interrput는 Software Interrupt</li>
</ul>
<p>Interrupt는 일반적으로 하드웨어가 발생시키는 것을 의미하며, 소프트웨어가 발생시키는 Interrupt는 Trap이라고 부른다.</p>
<h2 id="device-controller와-driver">Device Controller와 Driver</h2>
<p>I/O작업은 CPU가 직접하는 것이 아니고, 각 I/O가 가지고 있는 Controller(작은CPU)에게 CPU가 작업을 요청하면 컨트롤러가 처리한 후에 CPU에게 Interrupt를 거는 형식으로 작업이 이뤄진다.</p>
<p>Device Controller들도 CPU와 마찬가지로 하드웨어이기 때문에, 설정된 기계어(펌웨어)에 따라서 작업을 하게되어 있다. 그런데 Device Controller와 이름이 비슷한 Device Driver라는 것이 있는데, 디바이스 드라이버는 소프트웨어이다. 디바이스 드라이버에는 CPU가 디바이스 컨트롤러에게 부탁을 하는 방법이 적혀있는 메모장 같은 역할이기 때문에, 디바이스 드라이버는 컴퓨터 내부에서 CPU가 실행하는 코드이다.</p>
<h2 id="cpu-사용권이-운영체제로-넘어오는-경우">CPU 사용권이 운영체제로 넘어오는 경우?</h2>
<ol>
<li>Interrupt(HardWare, Software)</li>
<li>CPU를 쓰고 싶은데 CPU를 뺏기는 경우(timer), cpu 독점권을 막기 위함</li>
<li>더이상 CPU를 쓸 필요가 없는 경우 (I/O작업이 오래걸릴 경우, 어차피 CPU를 사용 못함)</li>
</ol>
<h4 id="interrupt-벡터">Interrupt 벡터</h4>
<ul>
<li>해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음(주소에 대한 포인터)</li>
<li>예를들면, timer가 발생시킨 인터럽트는 0에있는 코드 실행, Disk Controller가 발생시킨 인터럽트는 1에있는 코드 실행</li>
</ul>
<h4 id="interrupt-처리루틴">Interrupt 처리루틴</h4>
<ul>
<li>Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러</li>
<li>해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수</li>
<li>해당 인터럽트에서 무슨 일을 해야하는지 적혀있는 메모장</li>
</ul>
<h4 id="현대의-운영체제는-interrupt에-의해-구동됨">현대의 운영체제는 Interrupt에 의해 구동됨</h4>
<ul>
<li>운영체제도 프로그램이기 때문에 막강한 권력을 가지고 언제든지 CPU를 뺏어서 쓸 수 있는 것이 아니라, Interrupt가 발생할 때만 CPU 사용가능</li>
</ul>
<h2 id="동기식-입출력과-비동기식-입출력">동기식 입출력과 비동기식 입출력</h2>
<ul>
<li>synchronous I/O</li>
<li>asynchronous I/O</li>
</ul>
<h4 id="동기식-입출력">동기식 입출력</h4>
<ul>
<li>I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어감</li>
<li>동기식 입출력 방식은 아래와 같이 두 가지가 있는데</li>
</ul>
<ol>
<li></li>
</ol>
<ul>
<li>I/O가 끝날 때까지 CPU 낭비</li>
<li>매시점 하나의 I/O만 일어 날 수 있음</li>
</ul>
<ol start="2">
<li></li>
</ol>
<ul>
<li>I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU 빼앗음</li>
<li>I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움</li>
<li>다른프로그램에게 CPU 줌</li>
</ul>
<p>결국 동기식 입출력의 큰 흐름은 아래와 같다.</p>
<ul>
<li>사용자 프로그램 실행 중 -&gt; I/O 사용 요청 -&gt; I/O 끝날때 까지 기다림 -&gt; 컨트롤러가 인터럽트를 걸면 -&gt; 다음 작업 진행</li>
</ul>
<h4 id="비동기식-입출력">비동기식 입출력</h4>
<ul>
<li>
<p>I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감</p>
</li>
<li>
<p>사용자 프로그램 실행 중 -&gt; I/O 사용 요청 -&gt; I/O 끝날때 까지 기다리지 않고 -&gt; 다음 작업 진행</p>
</li>
</ul>
<p>이게 어떻게 가능하지? 일반적으로 생각하면 파일을 읽어오라고 요청을 했으면 파일을 읽어온 뒤에나 작업이 가능한게 아닌가? 라는 의문이 생길 수 있다.</p>
<p>그래서 일반적으로는 동기식 입출력 방법이 사용되지만, I/O 요청으로 결과값을 알기 전에 작업할 수 있는 것들이 있다(I/O와 무관한 일을 미리할 수도 있고). 그리고 읽어오라는 요청은 결과 값이 필요하지만 I/O에 쓰라는 요청을 보낸 것이라면 실제로 어떻게 쓰든 말든 상관없이 다음 작업을 할 수 있다.</p>
<ul>
<li>두 경우 모두 I/O의 완료는 Interrupt로 알려줌</li>
</ul>
<h2 id="dmadirect-memory-access">DMA(Direct Memory Access)</h2>
<p>그런데 인터럽트가 너무 자주 걸리면 어떻게 할까? 인터럽트도 일종의 오버헤드이기 때문에 성능에 영향을 미칠 수 있다.</p>
<pre><code>열심히 일하고 있는데 인터럽트가 자꾸 걸리면
하던 일 멈추고 다른거하다 다시 일을 시작해야함</code></pre>
<p>물론 CPU는 상당히 속도가 상당히 빠르기 때문에 I/O가 인터럽트를 건다고 해서 큰 차이는 느껴지지 않지만, I/O장치 중에서도 고속 장치가 있다는 것이 문제다. 그렇게 되면 CPU에게도 비효율적인 경우가 생기게 된다.</p>
<ul>
<li>DMA는 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용</li>
<li>CPU의 중재없이 디바이스 컨트롤러가 디바이스의 버퍼 스토리지의 내용을 메모리에 블록 단위로 직접 전송</li>
<li>바이트 단위(1바이트 들어오면 인터럽트걸고 * 100)가 아니라 블록 단위로 인터럽트를 발생시킴</li>
</ul>
<p><img src="https://user-images.githubusercontent.com/74946802/112747229-f3311280-8fee-11eb-855a-e0afccb9a5cc.png">
- 메모리에 접근할 수 있는 장치는 CPU밖에 없음
- 예를들면 디스크 컨트롤러가 파일을 읽은 내용을 메모리에 옮겨놓을 수 없음
- 그래서 I/O장치들은 로컬 버퍼를 가지고 있고 이를 통해 CPU에게 알려주면 CPU가 직접 버퍼에 있는 내용을 자신의 메모리로 카피해서 가져감!
<img src="https://user-images.githubusercontent.com/74946802/112741483-3b394080-8fc1-11eb-9ff5-ec4b28b6d55a.png">
- DMA는 메모리에 접근할 수 있는 또 다른 장치
- DMA는 인터럽트가 너무 자주 걸리는 걸 막기 위해서, 아주 작은 크기의 데이터가 I/O 로컬 버퍼에 들어가 있다면 특정 블록 단위까지 찼을때까지 기다렸다가 DMA가 직접 메모리에 카피해주는 작업까지 해주고 그것이 끝났을 때 CPU한테 인터럽트를 거는 방식으로 작동함
- 결과적으로 인터럽트 횟수를 낮출 수 있음
</p><h3 id="알아둬야할-용어-instruction">알아둬야할 용어: Instruction</h3>
<ul>
<li>
<p>CPU에서 실행하는 것은 기계어 (이를 Instruction이라고 하기 때문에 ) 또는 명령어 라고 함</p>
</li>
<li>
<p>I/O를 수행하는 기계어는</p>
</li>
</ul>
<ol>
<li>I/O를 전담(special Instruction)하는 기계어를 두는 방법 - 메모리 접근하는 기계어 따로 I/O접근하는 기계어 따로 두는 방식</li>
<li>메모리 주소를 메모리뿐만 아니라 I/O장치에도 연장해서 부여해서 실제 I/O를 고유의 기계어를 사용하는 것이 아니라 메모리 접근 기계어를 사용해서 접근 하는 방식(Memory Mapped I/O)</li>
</ol>
<p>과 같이 두 가지가 있다.</p></div></div>

PS & Algorithm

WooSeok Suh

컴퓨터 구조
간단하게 지난시간 공부한 컴퓨터 구조를 살펴보면 다음과 같다. 오늘도 이 구조를 바탕으로 학습을 진행할 예정이다.
일반적으로 컴퓨터 내부 구조는 CPU, Memory로 구성
외부(I/O장치)는 하드디스크, 모니터, 마우스, 키보드 등
CPU의 실행작업
메모리와 프로그램 카운터
CPU는 자신의 작업공간인 메모리에 있는 기계어를 하나씩 읽어와서 실행을 하는데, 이때 메모리 어디에 있는 기계어를 가져와서 처리를 하는 것일까? 정확히는 메모리에 있는 기계어 중 무엇을 가져와서 실행할지에 대한 기준은 무엇일까?
이에 대한 기준이 프로그램 카운터라는 레지스터
프로그램 카운터가 가리키고 있는 위치의 데이터를 가져와서 실행
기계어 하나를 실행하고나면 프로그램 카운터는 그 다음 위치로 이동
이런식으로 프로그램 카운터라는 레지스터값은 작업이 끝나면 다음 위치, 그 다음 위치를 가리키도록 설계
물론 항상 순차적으로 기계어를 읽어서 실행하는 것은 아니다. 앞에서 학습한 바와 같이 Interrupt의 발생, 흐름제어 등으로 인하여 그 순서는 바뀔 수도 있다.
시스템콜
CPU가 A라는 프로그램을 실행하다가 파일을 읽어야할 경우에는 어떤식으로 작업이 이뤄질까? 파일을 읽어오기 위해서는(Disk에 접근한다면 Disk Controller에게 명령을 통해서) I/O에 접근을 해야하는데, 그러기 위해선 '특권명령'이 필요하다. CPU에서 I/O에 접근하는 명령은 모두 특권명령으로 묶여있다.
그런데 실행하고 있던 A라는 프로그램이 사용자프로그램이라면? 무슨 방법으로 I/O에 접근할 수 있을까? 이 때는 특권명령을 사용하기 위해 '운영체제'에게 CPU 사용권한을 넘겨줘야 한다. 이를 '시스템콜'이라고 부르고 
"사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것"이라고 이해하면 된다.
이런 작업을 위해서는 메모리 공간에서의 '점프'가 필요하다. 하나의 프로그램 내에서 작업 순서가 바뀌는 것과는 달리 다른 프로그램(사용자 프로그램에서 운영체제로의)으로 이동하는 것은 다르기 때문이다. 그렇다면 CPU사용권을 어떻게 운영체제로 넘길 수 있을까? 
이전 시간에 배운대로 Interrupt를 활용하면 된다. CPU는 하나의 작업을 마치고 항상 Interrput를 확인하기 때문이다. 그러면 이때 Interrput는 누가 요청하는 것일까? 
시스템콜: 운영체제의 권한이 필요한 사용자 프로그램 스스로가 기계어를 통해 CPU에게 요청
간단하게 요약하자면 "나 운영체제의 권한이 필요하니까 CPU사용권 좀 운영체제한테 넘겨줘!"라고 요청하는 것과 같다.
timer, Disk Controller등의 하드웨어가 발생시키는 Interrupt를 Hardware Interrupt
사용자 프로그램과 같이 소프트웨어가 발생시키는 Interrput는 Software Interrupt
Interrupt는 일반적으로 하드웨어가 발생시키는 것을 의미하며, 소프트웨어가 발생시키는 Interrupt는 Trap이라고 부른다.
Device Controller와 Driver
I/O작업은 CPU가 직접하는 것이 아니고, 각 I/O가 가지고 있는 Controller(작은CPU)에게 CPU가 작업을 요청하면 컨트롤러가 처리한 후에 CPU에게 Interrupt를 거는 형식으로 작업이 이뤄진다.
Device Controller들도 CPU와 마찬가지로 하드웨어이기 때문에, 설정된 기계어(펌웨어)에 따라서 작업을 하게되어 있다. 그런데 Device Controller와 이름이 비슷한 Device Driver라는 것이 있는데, 디바이스 드라이버는 소프트웨어이다. 디바이스 드라이버에는 CPU가 디바이스 컨트롤러에게 부탁을 하는 방법이 적혀있는 메모장 같은 역할이기 때문에, 디바이스 드라이버는 컴퓨터 내부에서 CPU가 실행하는 코드이다.
CPU 사용권이 운영체제로 넘어오는 경우?
Interrupt(HardWare, Software) 
CPU를 쓰고 싶은데 CPU를 뺏기는 경우(timer), cpu 독점권을 막기 위함
더이상 CPU를 쓸 필요가 없는 경우 (I/O작업이 오래걸릴 경우, 어차피 CPU를 사용 못함)
Interrupt 벡터
해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음(주소에 대한 포인터)
예를들면, timer가 발생시킨 인터럽트는 0에있는 코드 실행, Disk Controller가 발생시킨 인터럽트는 1에있는 코드 실행
Interrupt 처리루틴
Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러
해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수 
해당 인터럽트에서 무슨 일을 해야하는지 적혀있는 메모장
현대의 운영체제는 Interrupt에 의해 구동됨
운영체제도 프로그램이기 때문에 막강한 권력을 가지고 언제든지 CPU를 뺏어서 쓸 수 있는 것이 아니라, Interrupt가 발생할 때만 CPU 사용가능
동기식 입출력과 비동기식 입출력
synchronous I/O
asynchronous I/O
동기식 입출력
I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어감
동기식 입출력 방식은 아래와 같이 두 가지가 있는데
1.
I/O가 끝날 때까지 CPU 낭비
매시점 하나의 I/O만 일어 날 수 있음
2.
I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU 빼앗음
I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움
다른프로그램에게 CPU 줌
결국 동기식 입출력의 큰 흐름은 아래와 같다.
사용자 프로그램 실행 중 -> I/O 사용 요청 -> I/O 끝날때 까지 기다림 -> 컨트롤러가 인터럽트를 걸면 -> 다음 작업 진행
비동기식 입출력
I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감
사용자 프로그램 실행 중 -> I/O 사용 요청 -> I/O 끝날때 까지 기다리지 않고 -> 다음 작업 진행
이게 어떻게 가능하지? 일반적으로 생각하면 파일을 읽어오라고 요청을 했으면 파일을 읽어온 뒤에나 작업이 가능한게 아닌가? 라는 의문이 생길 수 있다.
그래서 일반적으로는 동기식 입출력 방법이 사용되지만, I/O 요청으로 결과값을 알기 전에 작업할 수 있는 것들이 있다(I/O와 무관한 일을 미리할 수도 있고). 그리고 읽어오라는 요청은 결과 값이 필요하지만 I/O에 쓰라는 요청을 보낸 것이라면 실제로 어떻게 쓰든 말든 상관없이 다음 작업을 할 수 있다.
두 경우 모두 I/O의 완료는 Interrupt로 알려줌
DMA(Direct Memory Access)
그런데 인터럽트가 너무 자주 걸리면 어떻게 할까? 인터럽트도 일종의 오버헤드이기 때문에 성능에 영향을 미칠 수 있다.
열심히 일하고 있는데 인터럽트가 자꾸 걸리면
하던 일 멈추고 다른거하다 다시 일을 시작해야함
물론 CPU는 상당히 속도가 상당히 빠르기 때문에 I/O가 인터럽트를 건다고 해서 큰 차이는 느껴지지 않지만, I/O장치 중에서도 고속 장치가 있다는 것이 문제다. 그렇게 되면 CPU에게도 비효율적인 경우가 생기게 된다.
DMA는 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
CPU의 중재없이 디바이스 컨트롤러가 디바이스의 버퍼 스토리지의 내용을 메모리에 블록 단위로 직접 전송
바이트 단위(1바이트 들어오면 인터럽트걸고 * 100)가 아니라 블록 단위로 인터럽트를 발생시킴
메모리에 접근할 수 있는 장치는 CPU밖에 없음
예를들면 디스크 컨트롤러가 파일을 읽은 내용을 메모리에 옮겨놓을 수 없음
그래서 I/O장치들은 로컬 버퍼를 가지고 있고 이를 통해 CPU에게 알려주면 CPU가 직접 버퍼에 있는 내용을 자신의 메모리로 카피해서 가져감!
DMA는 메모리에 접근할 수 있는 또 다른 장치
DMA는 인터럽트가 너무 자주 걸리는 걸 막기 위해서, 아주 작은 크기의 데이터가 I/O 로컬 버퍼에 들어가 있다면 특정 블록 단위까지 찼을때까지 기다렸다가 DMA가 직접 메모리에 카피해주는 작업까지 해주고 그것이 끝났을 때 CPU한테 인터럽트를 거는 방식으로 작동함
결과적으로 인터럽트 횟수를 낮출 수 있음
알아둬야할 용어: Instruction
CPU에서 실행하는 것은 기계어 (이를 Instruction이라고 하기 때문에 ) 또는 명령어 라고 함
I/O를 수행하는 기계어는
I/O를 전담(special Instruction)하는 기계어를 두는 방법 - 메모리 접근하는 기계어 따로 I/O접근하는 기계어 따로 두는 방식
메모리 주소를 메모리뿐만 아니라 I/O장치에도 연장해서 부여해서 실제 I/O를 고유의 기계어를 사용하는 것이 아니라 메모리 접근 기계어를 사용해서 접근 하는 방식(Memory Mapped I/O)
과 같이 두 가지가 있다.

[OS] 8. 컴퓨터시스템의 구조(2)

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