Lecture #1

1. Lecture #1 Computer System Overview 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

2. 강의 개요 • 운영체제는 컴퓨터 시스템의 하드웨어를 제어하여 사용자에게 프로그램을 실행할 수 있는 환경을 제공한다 • 운영체제에 있어 중요한 컴퓨터 하드웨어 측면을 살펴본다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

3. 컴퓨터 시스템의 구성 • 컴퓨터 시스템의 계층적 구성 • 하드웨어(Hardware) • 소프트웨어(Software) • 시스템 소프트웨어(System Software) • 운영체제(Operating System) • 유틸리티(Utility) • 응용 프로그램(Application Program) cf) 미들웨어(Middleware) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

4. End User Programmer Middleware Application Programs Utilities Operating- System Designer Operating-System Computer Hardware 컴퓨터 시스템의 계층적 구조 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

5. Basic Hardware Components • Processor (CPU) • Main Memory • 현재 실행중인 프로그램과 데이터를 저장 • I/O modules (I/O controllers, I/O processors...) • 주변 장치와 CPU 사이에 데이터를 전송하는 하드웨어 • secondary memory devices (e.g: hard disks) • keyboard, display... • communications equipment • System interconnection (e.g: Buses) • communication among processors, memory, and I/O modules 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

6. Monitor Bus Components of a simple personal computer 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

7. Computer Hardware Architecture 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

8. CPU와 주기억장치 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

9. CPU Registers (fast memory on cpu) • Control & Status Registers • Generally not available to user programs • some used by CPU to control its operation • some used by OS to control program execution • User-Visible Registers • available to system (OS) and user programs • holds data, addresses, and some condition codes • 현재 실행중인 프로그램의 모든 상태 정보를 저장한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

10. Examples of Control & Status Registers • Program Counter (PC) • 다음에 수행한 명령어의 주소를 저장 • Instruction Register (IR) • 지금 수행중인 명령어를 저장 • Program Status Word (PSW) • 다음의 내용을 포함하는 레지스터 그룹: • condition codes and status info bits • Interrupt enable/disable bit • Supervisor(OS)/user mode bit 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

11. User-Visible Registers • Data Registers • 연산하기 위한 데이터나 중간 계산 결과를 저장하는 레지스터 • Address Registers • 데이터와 명령어의 메모리 주소를 저장 • 인덱스 또는 오프셋 주소 등과 같이 절대 주소를 계산하기 위한 정보를 저장 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

12. The Basic Instruction Cycle • CPU는 다음에 수행한 명령어와 데이터를 가져온다(Fetch Cycle) • CPU는 가져온 명령어를 수행한다(Execution Cycle) • Program counter (PC) 는 다음에 수행할 명령어의 주소를 저장하고 있다 • PC 레지스터 값은 fetch cycle에서 자동적으로 증가한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

13. Then CPU must wait for I/O to complete! • WRITE 명령어에 의해 제어권이 I/O 프로그램으로 넘어간다 • I/O 프로그램은 입출력을 위해 I/O Module을 준비한다(4) • CPU 는 I/O 명령이 수행 완료될 때까지 기다린다(Idle Wait) • I/O 프로그램은 I/O 명령의 수행 결과를 알려준다 • CPU는 중단된 사용자 프로그램을 수행한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

14. Interrupts • I/O modules은 event(입출력 동작의 완료 여부 등)를 INTERRUPT을 통하여 CPU에 알린다 • CPU은 Interrupt Handler Routine (normally part of the OS)을 실행하여 Interrupt를 서비스한다 • Interrupt Processing Routine / Interrupt Vector Table 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

15. Instruction Cycle with Interrupts! • CPU 는 현재 실행중인 명령어를 완료하고 interrupt를 검사한다 • 만약 pending된 interrupts가 없으면, 현재 프로그램의 다음 명령어를 실행한다 • Pending된 interrupt가 있으면, 현재의 프로그램 실행을 중단하고 interrupt handle를 실행한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

16. Interrupt Handler • Interrupt의 특성을 결정하고 필요한 처리 동작을 수행하는 프로그램 • Interrupt가 발생하면 소프트웨어 방식 또는 하드웨어 방식으로 현재 수행중인 프로그램은 중단되고 interrupt handler가 실행된다 • Interrupt handler 수행이 완료되면 중단된 프로그램을 수행한다(resume) • 따라서, interrupt handler를 수행하기 전에 현재 수행중인 프로그램의 상태 정보를 저장하여야 한다(content of PC + PSW + registers + ...) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

17. Simple Interrupt Processing 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

18. Interrupts improve CPU usage • I/O 프로그램은 I/O Module을 준비하고 I/O 명령을 전송한 후에 사용자 프로그램으로 되돌아 온다 • 사용자 프로그램은 I/O 동작이 일어나는 동안 실행을 계속한다(e.g: printing)- no waiting • I/O 동작이 종료되면 사용자 프로그램은 인터럽트되며, interrupt handler가 실행되어 interrupt를 서비스한다 • 사용자 프로그램 실행을 재개한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

19. Classes of Interrupts • I/O • signals normal completion of operation or error • Program Exception • overflows • try to execute illegal instruction • reference outside user’s memory space • Timer • preempts a program to perform another task • Hardware failure (e.g: memory parity error) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

20. Multiple interrupts: sequential order • Disable interrupts during an interrupt • Interrupts remain pending until the processor enables interrupts • After interrupt handler routine completes, the processor checks for additional interrupts 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

21. Multiple Interrupts: priorities • Higher priority interrupts cause lower-priority interrupts to wait • Causes a lower-priority interrupt handler to be interrupted • Example: when input arrives from communication line, it needs to be absorbed quickly to make room for more input 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

22. Multiprogramming • 프로그램은 I/O 장치를통하여 입출력하는 동안 I/O 동작이 완료될 때까지 기다려야 한다 • 하나의 프로그램이 입출력을 기다리는 동안 CPU는 다른 프로그램을 실행할 수 있다 • Interrupts are mostly effective when a single CPU is shared among several concurrently active processes 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

23. 향상된 CPU 내부 구조 (a) A three-stage pipeline (b) A superscalar CPU 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

24. CPU Mode • CPU 동작 모드 • 커널 모드(Kernel Mode or Supervisor Mode) • CPU의 모든 명령어를 실행할 수 있음 • 하드웨어의 각 특성을 이용할 수 있음 • 운영체제는 하드웨어를 완벽하게 접근할 수 있도록 커널 모드에서 동작 • 사용자 모드(User Mode) • CPU의 일부 명령어만을 실행할 수 있음 • 하드웨어의 일부 특성 만을 접근할 수 있음 • 사용자 프로그램은 사용자 모드에서 실행 • PSW의 모드 비트 설정에 의해 CPU 모드 전환 • Trap 등의 명령어에 의해 PSW의 모드 비트를 수정 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

25. Memory Hierarchy (1) Capacity, Access time Cost per bit, Frequency of access Registers Main Memory Magnetic Disk (Secondary Memory) Magnetic Tape Optical Disk (Tertiary Memory) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

26. Memory Hierarchy (2) Capacity, Access time Cost per bit, Frequency of access Registers Cache Main Memory Disk Cache Magnetic Disk Magnetic Tape Optical Disk 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

27. Cache Memory • Small cache of expensive but very fast memory interacting with slower but much larger memory • Invisible to OS and user programs but interact with other memory management hardware • Processor first checks if word referenced to is in cache • If not found in cache, a block of memory containing the word is moved to the cache 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

28. The Hit Ratio • Hit ratio = fraction of access where data is in cache • T1 = access time for fast memory • T2 = access time for slow memory • T2 >> T1 • When hit ratio is close to 1 the average access time is close to T1 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

29. Locality of Reference • Memory reference for both instruction and data tend to cluster over a long period of time • Example: once a loop is entered, there is frequent access to a small set of instructions • Hence: once a word gets referenced, it is likely that nearby words will get referenced often in the near future • Thus, the hit ratio will be close to 1 even for a small cache 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

30. Hard Disk Driver 구조 Structure of a disk drive 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

31. Disk Cache • A portion of main memory used as a buffer to temporarily to hold data for the disk • Locality of reference also applies here: once a record gets referenced, it is likely that nearby records will get referenced often in the near future • If a record referenced is not in the disk cache, the sector containing the record is moved into the disk cache • Read-ahead policy 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

32. MMU(Memory Management Unit) (1) • Multiprogramming 환경에서 메모리에 두 개 이상의 프로그램을 유지하기 위해서는 다음의 두 가지 문제점에 대한 선결을 요구 • 프로그램간, 그리고 커널과 프로그램간의 보호 • 메모리 재할당 처리  MMU 를 통하여 해결 • MMU(Memory Management Unit) • 프로그램 상의 가상 주소(virtual address)을 실제 메모리에 매핑하여 사용하는 물리 주소(physical address)로 변환하는 장치 • 대개의 경우 CPU 내부에 구현 • Multitasking & virtual memory 기능을 제공하기 위해서는 필수적으로 요구 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

33. MMU(Memory Management Unit) (2) One base-limit pair and two base-limit pairs 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

34. I/O Module Structure • Data to/from system bus are buffered in data register(s) • Status/Control register(s) holds • current status information • current control information from • I/O logic interacts with CPU via control bus • Contains logic specific to the interface of each device 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

35. I/O communication techniques • 3 techniques are possible for I/O operation • Programmed I/O • Does not use interrupts: CPU has to wait for completion of each I/O operation • Interrupt-driven I/O • CPU can execute code during I/O operation: it gets interrupted when I/O operation is done. • Direct Memory Access(DMA) • A block of data is transferred directly from/to memory without going through CPU 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

36. Programmed I/O • I/O module performs the action on behalf of the processor • But the I/O module does not interrupt the CPU when I/O is done • Processor is kept busy checking status of I/O module(polling) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

37. Interrupt-Driven I/O • Processor is interrupted when I/O module ready to exchange data • Processor is free to do other work • No needless waiting • Consumes a lot of processor time because every word read or written passes through the processor 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

38. Interrupt-Driven I/O (a) Steps in starting an I/O device and getting interrupt (b) How the CPU is interrupted (a) (b) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

39. Direct Memory Access(DMA) • CPU issues request to a DMA module (separate module or incorporated into I/O module) • DMA module transfers a block of data directly to or from memory (without going through CPU) • An interrupt is sent when the task is complete • The CPU is only involved at the beginning and end of the transfer • The CPU is free to perform other tasks during data transfer 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

40. System Bus Structure of a large Pentium system 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제