[OS] 프로세스와 스케쥴러의 이해 Part 3

CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때,

입출력 하드웨어 등의 장치나 또는 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 경우에 CPU에 이벤트를 알려서 처리하는 기술이다.

앞선 Part 2 에서 살펴봤던 것 처럼, 어떤 프로세스가 외부자원을 활용해야 할 때,

그 프로세스는 Wait 상태로 진입한다.

그리고 CPU는 다른 프로세스를 처리하게 되는데,

이 프로세스가 외부자원 이용이 다 끝나고 Wait상태에서 돌아오기 위해서는 CPU에 그 사실을 알려야만 하고,

운영체제 안의 Kernel에서 특정 코드 처리를 통하여 CPU에게 이벤트를 알리는 것이 바로 인터럽트이다.

인터럽트가 필요한 경우는.

프로세스 Running 도중, 현재 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스로 교체해야 할 때 ->선점형 스케쥴러에서 반드시 필요함.
I/O device와의 커뮤니케이션 - 외부자원 사용 완료 시, 프로세스를 wait상태에서 ready상태로 만들어줘야 함.
예외상황 핸들링 : CPU가 프로그램을 실행중, I/O 장치에서 문제가 발생할 경우, 또는 예외상황이 발생할 경우,CPU가 해당 처리를 할 수 있도록 CPU에 알려줘야 함.
- 메모리나 하드디스크 등 하드웨어 장치가 발열이 심해져서 작동이 어려울 경우
- 프로그램 실행 중 Runtime Error가 발생할 경우(ex) 0으로 나누기) : 프로그램 running이 더이상 불가능하므로, Process를 Kill 해줘야 한다 –> 인터럽트가 필요함

0으로 나눌 때, Overflow가 발생할 때, NullPointerException 등…

// Divide-by-zero 에러
int main(){
    int data = 1;
    int divider = 0;
    data = data / divider; // runtime error 발생
    return 0;
}

위 코드에서 Runtime error는 컴파일 과정이 아니라, CPU가 해당 프로그램을 실행하는 동안 발생한다.

Runtime Error가 발생하면 운영체제는 해당 Process를 Kill하고, 특정 메시지를 출력한다 (Exception 메시지)

—> 위와 같은 0으로 나누는 상황에 대한 Devide-by-zero 예외 루틴을 실행하는 것이다.

이는 프로그램 내부에서 발생했기 때문에 내부 인터럽트(또는 Software Interrupt)로 분류한다.

선점형 스케쥴러는 특정 시간이 지나면 Process를 강제로 교체하게 되는데,

이 때 필요한 것이 Timer Interrupt이다. 특정 시간이 지날 때 마다 저절로 인터럽트가 걸리고, Process가 교체된다.

타이머 인터럽트는 프로그램 외부에서 발생했기 때문에 외부 인터럽트(또는 Hardward Interrupt)로 분류한다.

프린터, 마우스, 키보드 등 하드웨어에서 입출력이 끝날 때 인터럽트가 걸린다.

이 또한 프로그램 외부에서 발생했기 때문에 외부 인터럽트로 분류한다.

시스템 콜도 Interrupt다!

당연하게도, 시스템콜도 인터럽트이다.

시스템콜이 실행되면 운영체제는 다음과 같은 절차를 밟게 된다.

eax 레지스터에 시스템 콜 번호를 넣고, ebx레지스터에는 시스템 콜 parameter를 넣는다.
Software Interrupt 명령을 호출하면서 0x80값 (Software Interrupt 명령의 값 - op code)을 넘겨준다.
0x80 값을 받은 CPU는 사용자모드를 커널모드로 변환한 후, IDT(Interrupt Descriptor Table)에서 0x80에 해당하는 주소(함수)를 찾아서 실행한다. – > 이 함수는 system_call() 함수가 될 것이다.
이 system_call() 함수는 종류가 여러 개가 있다.
- 1번 : sys_exit() / 2번 : sys_fork() / 3번 : sys_read …..etc
그 중에서 eax레지스터에 넣어놓았던 시스템 콜 번호와 매칭되는 함수를 호출한다.
함수 호출 시, parameter로 ebx레지스터에 저장해놓았던 parameter를 넘긴다.
커널모드에서 함수 실행이 종료되면 다시 커널 모드에서 사용자모드로 변경하고, 다시 해당 프로세스의 다음 코드를 진행한다.

(출처 : https://www.geeksforgeeks.org/dual-mode-operations-os/ )

따라서, 프로세스를 실행할 때 운영체제는 사용자모드와 커널모드를 계속 번갈아가면서 실행함을 알 수 있다.

인터럽트는 미리 정의되어 각각 번호와 실행코드를 가리키는 주소가 IDT에 기록되어 있다.

이 IDT는 컴퓨터 부팅 시 운영체제 내부에 운영체젠가 기록한다.

따라서 인터럽트가 발생하면, op code에 맞는 주소(시스템콜의 경우 0x80)를 찾아가서 해당 시스템콜을 확인 후 실행한다.

리눅스의 IDT 예시 :
- 0~31번 : 내부 인터럽트 예외상황 (일부는 정의 안된채로 남겨져 있음)
- 32~47번 : 하드웨어 인터럽트 (주변장치 종류 / 갯수에 따라 변경 가능)
- 128 : 시스템 콜 (= 0x80을 십진수로 표현하면 128)

인터럽트와 프로세스를 다시 정리하자면…

위 내용은 ‘패스트캠퍼스’의 컴퓨터공학 강좌 내용을 요약 정리한 것임을 밝힙니다. (https://www.fastcampus.co.kr/)