Modern Computer Systems

  • Consists of CPUs, Main Memory, other devices
  • Connected by a bus to access Main Memory
  • CPU and devices(controllers) execute simultaneosly and compete for shared memory
  • Memory controller unit(MMU) ensures these orders

Basic Understanding

  • OS(image) is stored in HDD(SSD)
  • When power is off, MM is empty(volatile) => so, when power is on, CPU can do nothing
  • Thus, to start computer, OS image must be loaded into MM

Bootstrap program

  • 하드웨어 제조사에서 개발
  • First program to run when power is on
  • Stored in Boot-ROM
  • Initializes computer system hardware (OS가 초기화 하지 않는 이유? 하드웨어는 제조사별로 다양하기 때문에 OS가 일괄적으로 초기화 불가능)
  • Loads OS from HDD(SSD) to first location of MM (addr = 0 or predefined)

What does CPU do?

  • Fetch Instr.=> Decode => Fetch Data => Execute => Store

Fetch Instrunction

AR <- PC & IR <- M[AR] & PC++

OS Booting

  • CPU simply fetch, decode, execute, store each line of OS image
  • Activates scheduler(=swapper)(pid=0), first process init()(pid=1)
  • Waits for interrupts to occur
  • Hardware interrupts: signals CPU by bus
  • Software interrupts: signals by sys calls(traps)
  • Modern OSs are interrupt-driven
  • Why interrupts necessary? : OS가 효율적으로 작동하기 위해
  • When interrupts necessary? : CPU가 요청한 operation을 I/O controller가 다 끝냈을 때

Memory Mapped I/O

Case1: CPU가 Memory Mapped I/O를 직접 수행

  • 키보드를 예시로 들면,

  • 키보드 컨트롤 레지스터로 보내기 위해 AC에 1을 저장

  • AC로부터 키보드 컨트롤 레지스터에게 1을 보냄 (CPU가 키보드에게 유저로부터 character를 받기 시작한다고 말해주는 것)

  • CPU가 키보드 컨트롤 레지스터로부터 내용을 읽어들임

MSB=1이면, 유저가 입력한 character가 데이터 레지스터로 입력되고 데이터 레지스터로부터 데이터를 읽어들임
MSB=0이면, 유저로부터 입력받은 character가 없음

Device contorllers

  • CPU로부터 명령을 받아 IO를 수행하고 상태를 유지
  • IO logic, Buffer(data register), status register로 구성
  • device controller의 operation이 끝나면 status register를 1로 세팅해 IO의 완료를 알림(interrupt)

I/O의 종류

Synchronous I/O

  • Control is returned to user process only at completion of I/O
  • 한 번에 한 개의 인터럽트밖에 수행하지 못 함

Asynchronous I/O

  • 현대 OS에 쓰임
  • Control is returned to another user process without waiting completion of I/O that it requested.
  • Multiple I/O may exist by multiple process(multiple interrupts may take place)

Interrupt servicing procedure

IRQ adressing

  1. 인터럽트 signal이 CPU에 도착

  2. OS가 리턴 어드레스를 저장 (push(stk_ptr, PC))

  3. CPU가 도착한 인터럽트 타입을 조사

3-1) Polling

  • 모든 device는 서로 같은 signal을 보냄
  • CPU가 모든 device를 조사

3-2) Vectored Interrupt

  • 모든 인터럽트는 unique id가 부여(IRQ n)

  • device마다 서로 다른 signal을 보냄

  • signal이 도착하면 CPU는 인터럽트 벡터를 확인해 interrupt service routine(ISR)의 시작 주소를 얻음.

  1. ISR 실행 (PC = some_address)

  2. 인터럽트 서비스가 끝나면 CPU는 다시 바로 전의 프로세스로 돌아감 (PC = pop(stk_ptr))

Multiple IO Management

  • OS는 DST(Device-Status Table)라는 것을 유지
  • 이 테이블 안에는 여러 device의 상태정보를 저장
  • DST pointer 사용

DMA structure

  • CPU는 MM<-> Buffer in device controller간 데이터를 이동시키기엔 너무 아까움

  • MM은 CPU가 주로 쓴다

  • MM은 1 word씩 전송하므로 다른 장치들이 MM을 사용할 경우, CPU의 동작에 큰 영향

  • DMA controller는 CPU를 쓰지 않고 직접 MM과 Buffer에 접근해 데이터를 전송

  • CPU가 메모리를 쓰지 않을때 Cycle Stealing해 메모리에 접근하고 접근이 완료됐을 때 interrupt를 일으켜 작업완료를 알림

Disk Read operation summary

1-유저 CPU가 유저 프로세스 a를 실행하는 도중 IO instruction을 보면 IO가 일어남

컨텍스트 스위치가 일어남

2-커널 CPU가 device controller에 있는 레지스터를 로드하기 위해 OS 프로세스 A를 실행시킴

3-커널 CPU가 DST(device-status table)을 조정하기 위해 OS 프로세스 B를 실행시킴

컨텍스트 스위치가 일어남

4-유저 CPU가 새로운 유저 프로세스 b를 실행시켰다고 하면

5-디바이스 device controller가 레지스터를 decode하고 어떤 명령이 필요한지 인식

6-디바이스 device controller가 512 바이트를 디스크에서 local buffer로 이동

7-디바이스 device controller가 CPU에게 인터럽트 시그널을 보냄

8-유저 CPU는 유저 프로세스 b가 인터럽트된 것을 인식

컨텍스트 스위치가 일어남

9-커널 CPU가 어떤 인터럽트인지 조사하기 위해 OS 프로세스 C를 실행시킴

10-커널 CPU가 ISR(interrupt service routine)를 실행하기 위해 OS 프로세스 D를 실행시킴

ISR이 끝나면 DMA가 실행됌
컨텍스트 스위치가 일어남

11-유저 CPU는 8번에서 인터럽트된 유저 프로세스 b를 다시 실행시킴

DMA는 CPU와 무관하게 실행되고 있다가 512 바이트가 controller buffer에서 MM으로 옮겨지면 CPU에게 인터럽트 시그널을 보냄

12-유저 CPU는 유저 프로세스 b가 인터럽트된 것을 인식

컨텍스트 스위치가 일어남

13-커널 CPU가 DST를 조사하기위해 OS 프로세스 E를 실행시킴

14-커널 CPU는 8번에서 인터럽트된 유저 프로세스 b를 다시 실행하기 위해 OS 프로세스 F를 실행함

컨텍스트 스위치가 일어남

15-유저 CPU가 유저 프로세스 b를 다시 실행시킴