Winwoo's Story

MultiThreading

• Server Architecture
  - iterative server : 서버가 깨어나서 Message Queue의 내용을 처리하고 처리가 완료되면 다시 Queue의 내용을 확인하여 처리
      *장점 : 단순하고 관리가 쉽다.
      *단점 : 하나의 Process를 사용하기 떄문에 처리속도가 느리다.
  - Concurrent server : Message Queue에서 Request의 처리를 서버가 직접하는것이 아니라 별도의 Worker Process를 두어 처리하게 하는 방식
      *장점 : 다수의 Process를 이용해 처리속도가 빠르다.
      *단점 : 여러 Process를 생산 및 관리해야 되기 때문에 복잡하고 시스템에 부담이 된다.
  

  

  
  

• MultiThreading의 목적

- Concurrency(동시 처리)는 높이면서 Execution Unit을 생성하거나 수행시키는데 드는 부담을 줄임
- Massively Parallel Scientific Programming ( 대용량 병렬 프로그래밍 )을 할 때 발생하는 오버헤드를 줄이기 위해

• Process와 Thread의 관계
  - Process는 Context와 Thread of Control로 이루어져있다.
  - 이때 Process안에 Thread가 여러개 있는 것이 MultiThread이다.
  
  
• MultiThread구현에 필요한 것들
  - 하나의 Process가 여러개의 Thread를 갖게 되므로 Process는 여러개의 Stack을 갖게된다.
  - 여러개의 Thread를 관리하기 위해 Thread ID를 할당 한다.
  - Thread 마다의 정보를 갖고있을 Thread control Block(TCB)을 생성한다.
  
  

• Task
  - Design Time Process
  - Process에게 부여된 자원(Resource)
  
  
• MultiThread의 구현
  1. User-Level 구현
      1. Stack 구현
      2. TCB를 Thread 마다 생성 (User Level에 위치)
      3. Thread 간의 Switching을 위해 Scheduler 구현
          - user Level에 Scheduler 함수 생성
          - 여러 Scheduler함수를 모아 Thread Library로 묶음
          *Thread Library : Thread의 생성 및 소멸, Thread Context저장, Thread간 접근 가능
     

- 문제점 -
    1. 한 Thread가 Blocking System call을 호출하는 경우 해당 process의 모든 Thread가 Block된다.
    2. OS가 Thread에게 직접 Interrupt를 전달할 수 없기 때문에 Preemptive Schedling을 할 수 없다.

2. Kernel-Level구현
    - Kernel의 System call을 이용하여 모든 처리를 한다.
    -장점 : User-Level의 단점을 모드 보완한다.
    - 단점 : Kernel단의 수행시간이 증가되면서 추가적인 오버헤드가 발생한다.

3. Combined User-Level / KernelLevel 구현
    - 대부분 User-Level에서 처리
    - Interrupt가 왔을 시 Interrupt를 User-Level Scheduler에게 전달
    - Blocking System call 발생 시 해당 Thread를 중지시키고 새로운 Kernel Stack을 할당하여 User Process에 붙여 Return시킨다.

• POSIX Pthread API
  - 다양한 unix계열 운영체제들의 API를 표준화 하기위해 IEEE가 정의한 인터페이스
  

  

  
  

• Thread life Cycle
  

  

  
  

Context Switching

• Context Switching이란?
  - 현재 수행중인 Process의 Context state를 저장하고 다음 수행 될 Process의 Context state를 불러오는 작업
  
  

• Context Saving
  - Context Swithcing이 일어날 경우 현재 Process의 Context를 저장하는 작업
  
  

• Context 종류 및 Saving유무
  (Context별 설명은 http://winwoo.tistory.com/16 'Program State' 참고)
  - Memory Context : 필요한 Data만 Saving
  - CPU Register Context : 반드시 모든 Data Saving
      -> saving 장소 : 일반적으로 한단계 아래의 저장장치로 데이터를
                        대피시키기 때문에 CPU Register는 Main Memory로 대피
  - Kernel Context : Saving 필요 없음
  
  

• Interrupt Service Routine이 발생 했을 때
   ( Context Switching 발생 -> HW가 실행)
  다음과 같은 순서로 Stack에 저장
  1. Interrupt가 발생하기 전 PSW 저장
  2. Interrupt가 끝나고 돌아올 주소 저장
      - 돌아올 주소는 HW가 PC(Program Count)에서 가져옴

• 초기 Process 생성 시 Stack 초기화
  

- Context Switching Mechanism이 동작하기 위해선 한번이라도 Context Switching이 일어나야 된다. 하지만 Process가 처음 생성될 경우 임의의 Stack을 만들어 준다.

Process Scheduling

• Process Scheduling 이란
  - OS가 여러 Process중 CPU에 할당 할 Process를 정하는 방법
  
  

• Scheduling 구성 요소
  - Policy : 다음에 수행될 Process를 선택하는 기준
  - Mechanism : CPU를 한 Process에서 다른 Process로 넘겨주는 방법                     (Dispather)
  
  

• Dispatcher
  1. Dispatcher Loop
      {
          1.주어진 Process 가동
          2.가동 중 중단 요청시 안전한공간으로 해당 Process 저장
          3.다른 Process Load
      }
      - 무한 Loop
  2. 호출 방법
      - Non Preemptive Scheduling ( SW Interrupt 사용 -> Trap )
          Process가 자발적으로 CPU를 양보하여 다른 Process를 수행하는         Scheduling (ex) I/O에서 Block할 경우
      - Preemtive Scheduling ( HW Interrupt 사용 -> Timer사용 )
          OS가 강제로 Process로부터 CPU를 빼앗아 다른 Process를
          수행하는 Scheduling
  
  

• Process Status Word(PSW)
  -OS란 Kernel mode에서 사용되는 *<함수 library>라고 할 수 있다.
  *함수 library 종류
      - System Call : OS의 Kernel이 제공하는 서비스를
                                   응용프로그램에요청하기 위한 인터페이스
      - Interrupt Service Routine
  - PSW Register 안의 특정 bit를 mode bit로 사용하여
   'Kernel Mode'와 'User Mode' 구분

  
  

*본 자료는 서울대학교 홍성수 교수님의 '운영체제' 수업을 바탕으로 개인적으로 정리하여 올립니다. 관련 이미지 자료는 홍성수 교수님 수업 PPT자료가 출처임을 알립니다. 문제 시 말씀해주시면 삭제 조치 하겠습니다. 감사합니다.

Process Concept

• Process : OS에서 프로그램을 수행시키는 기본 주체
  

- Runtime System의 수행 주체

- CPU나 다른 자원을 할당 받는 주체

- Process는 OS에서 가장 중요한 단위

• Decomposition
  

- 복잡한 문제를 단순한 여러 개의 문제로 나누어 처리하는 방법론

• Program과 Process의 차이

- Program : 저장매체에 저장된 수동적인 Code Sequence ( 수동적 )

- Process : Program을 실행할 때 일어나는 일 ( 능동적 )

(실행 시 메모리 할당 및 CPU할당 등 다양한 일을 포함)

• Program State
  - 무언가 Program이 실행될 때 모든 Data를 말한다.
      1. Memory ( Memory Context 
          - Code : 기계어
          - Data : Program 전역 변수
          - Stack : Program 지역 변수
          - Heap : Program 동적 메모리 공간
      2. CPU ( H/W Context )
          - Register value
      3. Per - Process Kernel Info ( System Context )
  
  

• Execution Stream
  - Process가 지금까지 수행한 모든 명령어들의 순서
  
  

• Process 정리
  - 수행중인 Program -> State 필요 -> State 위에 Thread of Control
  또는 excution Stream 존재
  
  

• Multi Programming
  - 여러개의 Active한 Process가 Memory에 올라가 있는 경우
  
  

• Swapping ( Main Memory의 공간이 작을 때 사용 )
  - 메모리 부족문제를 해결하기 위해 CPU를 사용하지 않는 일부 Process의 데이터를 Memory에서 다른 저장 장치로 옮기고 CPU를 사용할 Process의 데이터를 Memory에 Load 한다.
  
  

• Process Control Block (PCB)
  - OS가 가지고 있는 Process의 정보
  
  

• Process Table
  - 여러개의 PCB를 Array로 관리
  
  

• State Transition
  - Process Life Cycle : Process가 생성되었을 때 부터 종료될 때 까지 발생하는 일련의 상태 변화
  
  

- Ready State : Active한 Process가 CPU할당을 받지 못한 상태 

(Queue를 통해 관리한다)
*Ready Queue : Ready 상태의 Process들을 관리하기 위한 Queue형태의 자료구조 -> 일반적으로 PCB들을 Linked List로 구현

- Waiting State : 여러개의 Process가 Waiting 상태일 수 있다. 단, Process마다 Waiting 이유가 다를 수 있기 때문에 OS는 Waiting 이유에 따라 별도의 Queue를 통해  Process들을 관리 한다.

*본 자료는 서울대학교 홍성수 교수님의 '운영체제' 수업을 바탕으로 개인적으로 정리하여 올립니다. 관련 이미지 자료는 홍성수 교수님 수업 PPT자료가 출처임을 알립니다. 문제 시 말씀해주시면 삭제 조치 하겠습니다. 감사합니다.

Computer HardWare

운영체제 ---(가장 먼저 Interection)---> HardWare 

1. Computer System

1.1 System Bus

1.1.1 System Bus란 : 

CPU, Memory, I/O -> 상호간 Data 전송 역할 

1.1.2 System Bus의 종류 : 

Data Bus, Address Bus

1.1.3 System Bus의 행동 : 

Read & Write

- CPU <- Memory : Read

- CPU -> Memory : Write

1.2 Bus Master / Bus Arbiter / Bus Slave

1.2.1 Bus Master : 

-Bus Transaction을 시작하는 요소 

-System에는 여러개의 Bus Master가 존재함

* 대표적인 Bus Master : CPU, I/O Controller, DMA Controller 등

1.2.2 Bus Arbiter : 

여러Bus Master중 특정 Bus Master에게  Bus를 제공해주는 조정자

1.2.3 Bus Slave : 

데이터를 담고 있는 장치(Memory)

(*Transaction : CPU의 작업단위)

1.3 I/O Controller

1.3.1 Interrupt-Driven I/O :

I/O 동작이 완료되면 I/O Controller가 CPU에게 '비동기'적으로 완료되었음을 알려주는 방식

1.3.2 Polling I/O : 

I/O 동작이 완료 될 때까지 CPU가 반복해서 I/O Controller의 Resgister 상태를 확인하는 방식

1.4 DMA Operation (Direct Memory Access)

1.4.1 DMA 이란 :

CPU의 개입 없이 I/O Controller가 메모리에 직접 접근하여 Data를 읽거나 쓸 수 있도록 하는 기능

1.4.2 CPU가 DMA에게 전달하는 요소 :

CPU -----------> DMA Controller

- 전송 될 Block의 시작

- Block의 Size

- Operation Command (Read & Write)

(*DMA는 Block 단위로 전달 됨)

1.4.3 DMA 사용 이유 :

Block Data를 옮길 때 CPU Intervention을 최소화하기 위해 사용

1.4.4 DMA가 Block Data를 전송하는 방식

1. Cycle Stealing : 

CPU 성능에 영향이 없지만 DMA시간이 증가함

->CPU가 BUS를 사용하고 있지 않을 때만 DMA Controller가 Bus를 사용

2. Block Transfer : 

CPU 성능에 영향이 있지만 DMA시간이 감소

->CPU와 DMA Controller가 대등하게 경쟁하여 Bus를 사용

2. Interrupt Mechanism

2.1 Interrupt Mechanism이란

1. 비동기적 Mechanism

2. Hardware Interrupt

- CPU 외부에서 CPU가 관심을 가져야 될 상황에 대에서 CPU에게 전달 (비동기)

3. Software Interrupt

- 현재 수행하는 Program의 문제를 알리기 위해 사용

ex) Exception funtion

-코드분석을 통해 문제를 알 수 있음

(동기적)

2.2 Interrupt의 구현

1. Interrupt Source 

- I/O Controller, DMA Controller 등

2. Interrupt의 처리과정

- 현재 Instruction을 완료하고 마이크로 프로세서의 프로그램 카운터(PC)값을 안전한 곳에 저장

- 현재 수행중인 프로그램 중단

- Interrupt Request Number(IRN)를 통해 Interrupt Source 확인

- Interrupt Vector Table을 검색해서 Interrupt Service Routine(ISR)의 주소를 확인하고 수행

3. PIC(Programmable Interrupt Controller)

- CPU의 Interrupt PIN의 유동적 확장을 위해 사용

- PIC 하나당 16개 Interrupt 처리 가능

3. Hardware Protection Mechanism

3.1 Hardware Protection Mechanism 이란

- Multi Programming을 할 때 Memory에 Active한 여러 Job들이 다른 영역에 접근하지 못하게 하는 기법

*Privileged Instruction

 -> Operation System만 수행할 수 있는 Instruction

3.2 Duel Mode Operation

- Kernel Mode : Privileged Instruction들을 수행 시킬 수 있는 Mode

- User Mode : Privileged Instruction들을 수행 시킬 수 없는 Mode

- Mode변환은 Kernel Mode만 가능

- User Mode에서 Kernel Mode로 변환하기 위해선 Interrupt를 이용

*본 자료는 서울대학교 홍성수 교수님의 '운영체제' 수업을 바탕으로 개인적으로 정리하여 올립니다. 관련 이미지 자료는 홍성수 교수님 수업 PPT자료가 출처임을 알립니다. 문제 시 말씀해주시면 삭제 조치 하겠습니다. 감사합니다.