CS/OS & 하드웨어

Swapping 스와핑 ( page in, page out )

여러 프로그램을 메모리상에서 돌리다 보면 메모리가 부족할 수밖에 없다. 이런 메모리 부족을 해결하기 위해서 나온 방법이 Swapping이다. 더 많은 프로세스가 메모리에 존재할 수 있도록 하는 것이다. swapping을 사용하면 프로세스를 다시 실행할 때 처음부터 메모리에 올리는 것이 아니라 더 빨리 할 수 있기 때문이다. Swapped은 backing store를 만들어서 프로세스 단위로 swap in, swap out을 동작한다. ( backing store는 임시저장소로 하드디스크나 NVM처럼 여러 하드웨어가 될 수 있다. 즉 Secondary Storage다.) 프로그램이 실행되면 Bakcing store에 있는 필요한 page 정보를 메모리에 올린다. 이렇게 프로세스 단위로 왔다 갔다 하는 걸,..

CPU 스케줄링(Scheduling) 알고리즘 정리 및 요약 | FCFS, SJF, Round Robin

CPU 스케줄링이란 CPU 이용률을 극대화하기 위해서는 멀티프로그래밍(multiprogramming)이 필요하다. 하지만 만약 CPU core가 하나라면 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능할 것이다. 이때 필요한 것이 CPU 스케줄링이다. 즉, CPU 스케줄링은 언제 어떤 프로세스에 CPU를 할당할지 결정하는 작업이라고 할 수 있다. CPU 스케줄러(CPU Scheduler)와 선점형(Preemptive), 비선점형(non-preemptive) 스케줄링 CPU 스케줄러는 메모리에 있는 프로세스들 중 어떤 프로세스를 실행할지 선택하고 CPU를 할당해주는 역할을 한다. CPU 스케줄러는 프로세스들이 다음과 같은 상황에 있을 때 스케줄링을 결정한다. 실행(running) 상태에서 대기(waiting) 상태로..

스레드 안전(Thread-Safety)란?

멀티 스레드 프로그래밍 멀티스레드 프로그래밍은 하나의 프로세스에서 여러 개의 스레드를 만들어 자원의 생성과 관리의 중복을 최소화하는 것이다. 장점 멀티 프로세스에 비해 메모리 자원소모가 줄어든다. Heap 영역을 통해서 스레드 간의 통신이 가능하기 때문에 프로세스 간의 통신이 간단해진다. 스레드의 컨텍스트 스위칭은 프로세스의 컨텍스트 스위칭보다 훨씬 빠르다. 단점 힙 영역에 있는 자원을 사용할 때 동기화를 해야한다. 동기화를 위해서 락을 과도하게 사용하면 성능 저하가 발생할 수도 있다. 하나의 스레드가 비정상적으로 동작하면 다른 스레드도 영향을 받아 종료하게 될 수도 있다. 스레드 안전 스레드 안전(Thread-Satety)란 멀티 스레드 프로그래밍에서 일반적으로 어떤 함수나 변수, 혹은 객체가 여러 스..

시스템 구조와 프로그램 실행 2

동기식 입출력과 비동기식 입출력 동기식 입출력(synchronous I/O) I / O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감 구현 방법 1 I/O가 끝날 때 까지 CPU를 낭비시킴 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음 구현 방법 2 I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에게서 CPU를 빼앗음 I/O 처리를 기다리는 줄에 그 프로그램을 줄 세움 다른 프로그램에게 CPU를 줌 비동기식 입출력 (asynchronous I/O) I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감 두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려준다. DMA(Direct Memory Access) DMA(Direct Memory Access) 빠른 입출력 장..

시스템 구조와 프로그램 실행 1

시스템 구조 CPU : 매 클럭 사이클 마다 메모리에서 인스트럭션을 읽어 실행 registers : 메모리보다 더 빠르면서 저장할 수 있는 공간 mode bit : CPU에서 실행되는 것이 운영체제인지 사용자의 프로그램인지 구분해주는 bit Interrupt line : I/O device의 신호를 전달해주는 통로. 인스트럭션이 끝날 때마다 CPU가 체크한다. 들어온 신호가 있다면 운영체제에게 CPU가 넘어감. 메모리 : CPU의 작업공간 I/O device : 별개의 입출력 장치. 프로그램은 접근을 못하고 운영체제를 통해서만 접근할 수 있다. device controller : I/O device를 전담하는 컨트롤러. 디스크의 내부를 통제 local buffer : device contoller의 작업..

PCB(Process Control Block)란?

PCB는 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 정보를 저장해 놓는 곳으로, 프로세스의 상태 정보를 저장하는 자료구조다. 운영체제에서 프로세스는 PCB로 표현된다. 프로세스가 생성될 때마다 고유의 PCB가 생성되고, 주기억장치에 유지되며, 프로세스가 완료되면 PCB도 함께 제거된다. 프로세스 상태 관리와 문맥 교환(Context switch)을 위해서 필요하다. 운영체제에 따라 PCB에 포함되는 항목이 다를 수 있지만, 일반적으로 다음과 같은 정보가 포함되어 있다. PCB에 포함되는 정보 포인터 : 부모프로세스에 대한 포인터, 자식 프로세스에 대한 포인터, 프로세스가 위치한 메모리 주소에 대한 포인터, 할당된 자원에 대한 포인터 정보 등. 프로세스 상태(Process State) : 생성(create), 준..

문맥 교환 Context Switching

하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해, 이전의 프로세스의 상태(문맥)를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업 프로세스의 문맥(context)은 PCB에 저장된다. 인터럽트(interrupt)가 발생하면 시스템은 현재 수행 중인 프로세스의 문맥을 저장하고, 이후 해당 프로세스가 재개될 때 복원한다. CPU 코어를 다른 프로세스로 교환 현재 프로세스의 상태를 저장 다른 프로세스의 상태를 복원하는 작업(task)를 말한다. 교환 시점 멀티태스킹 인터럽트 핸들링 사용자 모드와 커널 모드 간의 전환 준비 → 실행, 실행 → 준비, 실행 → 대기 전환 시 문맥 교환 발생 교환 필요한 상황 교환 과정 문맥 교환과 오버헤드 문맥을 교환하는 동안에는 유용..

캐시가 동작하는 아주 구체적인 원리

Principle of Locality 지역성에는 시간적 지역성과 공간적 지역성, 순차적 지역성이 있다. 시간적 지역성 : 최근에 액세스 된 프로그램이나 데이터가 가까운 미래에 다시 액세스 될 가능성이 높음을 의미한다. 반복루프, 서브루틴 호출, 공통 변수가 대표적인 예시다. 공간적 지역성 : 기억장치 내에 인접하여 저장된 데이터들이 연속적으로 액세스될 가능성이 높음을 의미한다. 표, 배열의 데이터가 그 대표적 예시다. 순차적 지역성 : 분기가 발생하지 않는 이상 명령어들이 기억장치에 저장된 순서대로 인출되어 실행됨을 의미한다. 이는 공간적 지역성에 편입되어 설명되기도 한다. 한 프로세스 안에도 자주 사용하는 부분과 그렇지 않은 부분이 있기 때문에 운영체제는 프로세스를 페이지(Page)라는 단위로 나눠 ..

캐시 히트율/메모리 적중률 (Hit Rate)

캐시 메모리는 CPU의 처리 속도와 주기억장치의 접근 속도 차이를 줄이기 위해 사용하는 고속 Buffer Memory이다. ※ 캐시 메모리 이용 효과 프로그램의 실행과정을 분석해 보면, 주어진 시간 동안에 참조하는 메모리 영역은 국한된다는 사실을 알 수 있다.(메모리 참조의 국부성) 따라서 자주 참조되는 프로그램의 일부를 속도가 빠른 기억장치에 저장해 놓고 실행시키면 프로그램의 총 실행시간을 단축시킬 수 있다. 이때 이용하는 기억장치를 캐시 메모리라고 한다. 캐시 메모리의 특징 캐시는 주기억장치와 CPU사이에 위치하며, 자주 사용하는 프로그램과 데이터를 기억한다. 캐시 메모리는 메모리 계층 구조에서 가장 빠른 소자이며, 처리 속도가 거의 CPU의 속도와 비슷할 정도이다. 캐시를 사용하면 주기억장치를 접근..

페이징(Paging)이란? 페이지 테이블이란?

페이징(Paging)이란? 논리주소의 메모리를 고정된 크기의 페이지(Page)로 나누어 관리하는 기법이다. 페이징은 아래와 같은 특징들을 갖고 있다. 물리주소 공간(Physical address)은 연속적이지 않을 수 있다(noncontiguous) 페이지는 모두 같은 크기를 가진다. 물리주소 공간을 페이지와 같은 사이즈로 나눈 것들을 프레임(Frame)이라고 한다. 페이지 사이즈(=프레임 사이즈)는 하드웨어에 의해 정해진다. 페이지의 크기는 일반적으로 2의 제곱수를 사용한다. 일반적으로 4KB(2^12) ~ 1GB(2^20) 페이지 테이블(page table)을 이용해 논리주소에서 프레임을 가리키는 물리주소로 매핑한다. 외부 단편화는 발생하지 않으나, 내부 단편화는 발생한다. 페이지 테이블(Page T..