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Lecture #1. Computer System Overview. 강의 개요. 운영체제는 컴퓨터 시스템의 하드웨어를 제어하여 사용자에게 프로그램을 실행할 수 있는 환경을 제공한다 운영체제에 있어 중요한 컴퓨터 하드웨어 측면을 살펴본다. 컴퓨터 시스템의 구성. 컴퓨터 시스템의 계층적 구성 하드웨어( Hardware) 소프트웨어( Software) 시스템 소프트웨어( System Software) 운영체제( Operating System) 유틸리티( Utility) - PowerPoint PPT Presentation
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Lecture #1Lecture #1
Computer System Computer System
OverviewOverview
강의 개요강의 개요
운영체제는 컴퓨터 시스템의 하드웨어를 제어하여 사용자에게 프로그램을 실행할 수 있는 환경을 제공한다
운영체제에 있어 중요한 컴퓨터 하드웨어 측면을 살펴본다
Operating System 2
컴퓨터 시스템의 구성컴퓨터 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)
Operating System 3
컴퓨터 시스템의 계층적 구조Operating System 4
EndUser
Programmer
Operating-System
Designer
Computer Hardware
Operating-System
Utilities
ApplicationPrograms
Middleware
Basic Hardware ComponentsBasic 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
Operating System 5
Components of a simple personal computer
Operating System 6
Monitor
Bus
Operating System 7
CPU System Bus
MemoryController
Main Memory
I/O Controller I/O Controller
Hard Disk
Printer
Computer Hardware Architecture
Operating System 8
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중앙처리장치(CPU)
0000
0001
0002
0003
0004
0005
FFFD
FFFE
FFFF
주기억장치(Main Memory)
보조기억장치(Secondary
Memory)
Program Data
CPUCPU 와 주기억장치와 주기억장치
CPU Registers CPU Registers (fast memory on cpu)(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
Operating System 9
Examples of Control & Status RegistersExamples 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
Operating System 10
User-Visible RegistersUser-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
Operating System 11
The Basic Instruction CycleThe Basic Instruction Cycle
CPU 는 다음에 수행한 명령어와 데이터를 가져온다 (Fetch Cycle) CPU 는 가져온 명령어를 수행한다 (Execution Cycle) Program counter (PC) 는 다음에 수행할 명령어의 주소를
저장하고 있다 PC 레지스터 값은 fetch cycle 에서 자동적으로 증가한다
Operating System 12
Instruction RegisterInstruction Register
Fetched instruction is placed in the instruction register
Categories Processor-memory
Transfer data between processor and memory Processor-I/O
Data transferred to or from a peripheral device Data processing
Arithmetic or logic operation on data Control
Alter sequence of execution
13Operating System
14
Characteristics of a Hypothetical Characteristics of a Hypothetical MachineMachine
Operating System
15
Example of Program ExecutionExample of Program Execution
Operating System
CPU must wait for I/O to complete!CPU must wait for I/O to complete!
Operating System 16
WRITE 명령어에 의해 제어권이 I/O 프로그램으로 넘어간다
I/O 프로그램은 입출력을 위해 I/O
Module 을 준비한다 (4)
CPU 는 I/O 명령이 수행 완료될 때까지 기다린다 (Idle Wait)
I/O 프로그램은 I/O 명령의 수행 결과를 알려준다
CPU 는 중단된 사용자 프로그램을 수행한다
InterruptsInterrupts
I/O modules 은 event( 입출력 동작의 완료 여부 등 ) 를 INTERRUPT 을 통하여 CPU 에 알린다
CPU 은 Interrupt Handler Routine (normally
part of the OS) 을 실행하여 Interrupt 를 서비스한다
Interrupt Processing Routine / Interrupt Vector
Table
Operating System 17
Instruction Cycle with Interrupts!Instruction Cycle with Interrupts!
CPU 는 현재 실행중인 명령어를 완료하고 interrupt 를 검사한다 만약 pending 된 interrupts 가 없으면 , 현재 프로그램의 다음
명령어를 실행한다 Pending 된 interrupt 가 있으면 , 현재의 프로그램 실행을
중단하고 interrupt handle 를 실행한다
Operating System 18
Interrupt Handler (1)Interrupt Handler (1)
Interrupt 의 특성을 결정하고 필요한 처리 동작을 수행하는 프로그램
Interrupt 가 발생하면 소프트웨어 방식 또는 하드웨어 방식으로 현재 수행중인 프로그램은 중단되고 interrupt handler 가 실행된다
Interrupt handler 수행이 완료되면 중단된 프로그램을 수행한다 (resume)
따라서 , interrupt handler 를 수행하기 전에 현재 수행중인 프로그램의 상태 정보를 저장하여야 한다(content of PC + PSW + registers + ...)
Operating System 19
20
Interrupt Handler (2)Interrupt Handler (2)
Interrupts suspend the normal sequence of execution
Operating System
Simple Interrupt ProcessingSimple Interrupt Processing
Operating System 21
Interrupts improve CPU usageInterrupts improve CPU usage
I/O 프로그램은 I/O Module 을 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 handler 가 실행되어 interrupt 를 서비스한다
사용자 프로그램 실행을 재개한다
Operating System 22
Classes of InterruptsClasses 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)
Operating System 23
Multiple interrupts: sequential orderMultiple 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
Operating System 24
Multiple Interrupts: prioritiesMultiple 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
Operating System 25
MultiprogrammingMultiprogramming
프로그램은 I/O 장치를 통하여 입출력하는 동안 I/O 동작이 완료될 때까지 기다려야 한다
하나의 프로그램이 입출력을 기다리는 동안 CPU 는 다른 프로그램을 실행할 수 있다
Interrupts are mostly effective when a single CPU is shared among several concurrently active processes
Operating System 26
향상된 향상된 CPU CPU 내부 구조내부 구조
(a) A three-stage pipeline
(b) A superscalar CPU
Operating System 27
CPU ModeCPU Mode
CPU 동작 모드 커널 모드 (Kernel Mode or Supervisor Mode)
CPU 의 모든 명령어를 실행할 수 있음 하드웨어의 각 특성을 이용할 수 있음 운영체제는 하드웨어를 완벽하게 접근할 수 있도록 커널
모드에서 동작 사용자 모드 (User Mode)
CPU 의 일부 명령어만을 실행할 수 있음 하드웨어의 일부 특성 만을 접근할 수 있음 사용자 프로그램은 사용자 모드에서 실행
PSW 의 모드 비트 설정에 의해 CPU 모드 전환 Trap 등의 명령어에 의해 PSW 의 모드 비트를 수정
Operating System 28
Memory Hierarchy (1)Memory Hierarchy (1)
Operating System 29
Registers
Main Memory
Magnetic Disk(Secondary Memory)
Magnetic Tape Optical Disk
Cost per bit,
Frequency of access
Capacity,
Access time
(Tertiary Memory)
Memory Hierarchy (2)Memory Hierarchy (2)
Operating System 30
Registers
Cache
Main Memory
Disk Cache
Magnetic Disk
Magnetic Tape Optical Disk
Cost per bit,
Frequency of access
Capacity,
Access time
31
Memory Hierarchy (3)Memory Hierarchy (3)
Operating System
Cache MemoryCache 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
Operating System 32
The Hit RatioThe 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
Operating System 33
Locality of ReferenceLocality 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
Operating System 34
Hard Disk Driver Hard Disk Driver 구조구조
Structure of a disk drive
Operating System 35
Disk CacheDisk 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
Operating System 36
MMU(Memory Management Unit) (1)MMU(Memory Management Unit) (1)
Multiprogramming 환경에서 메모리에 두 개 이상의 프로그램을 유지하기 위해서는 다음의 두 가지 문제점에 대한 선결을 요구1. 프로그램간 , 그리고 커널과 프로그램간의 보호2. 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
Operating System 37
MMU(Memory Management Unit) (2)MMU(Memory Management Unit) (2)
One base-limit pair and two base-limit pairsOperating System 38
I/O Module StructureI/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
Operating System 39
I/O communication techniquesI/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
Operating System 40
Programmed I/OProgrammed 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)
Operating System 41
Interrupt-Driven I/OInterrupt-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
Operating System 42
Interrupt-Driven I/OInterrupt-Driven I/O
(a) Steps in starting an I/O device and getting interrupt(b) How the CPU is interrupted
Operating System 43
(a) (b)
Direct Memory Access(DMA) 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
Operating System 44
System BusSystem Bus
Structure of a large Pentium systemOperating System 45