[운영체제] I/O의 수행 - 인터럽트(Interrupt)와 시스템 콜(System Call)

본 게시글은 KOCW 이화여자대학교 반효경 교수님의 <운영체제> 강의를 듣고 정리한 내용입니다.
게시글에 포함되는 이미지 자료 또한 해당 강의에 포함된 강의 자료입니다.

I/O의 수행

모든 I/O(입출력) 명령은 특권 명령이므로 사용자 프로그램은 직접 I/O device에 접근할 수 없습니다.

그렇다면 사용자 프로그램은 어떻게 I/O를 수행하게 될까요??사용자 프로그램은 시스템 콜(System Call)을 통해 운영체제에게 I/O 요청을 하게 됩니다.시스템 콜을 통해 trap을 사용한 인터럽트(Interrupt)를 걸어 CPU 제어권이 운영체제에게 넘어갈 수 있도록 하는 방식으로 요청하는 것입니다. 인터럽트가 들어오면, CPU는 올바른 I/O 요청인지 확인 후 I/O 요청을 수행합니다.

시스템 콜 (System Call)

시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것입니다.

 

시스템 콜

사용자 프로그램은 I/O와 같은 작업이 필요할 때, OS 커널의 I/O와 관련된 메모리 주소에 접근할 수 없습니다. (mode bit이 1, 즉 사용자 모드이기 때문) 이러한 경우, 사용자 프로그램이 OS 에게 무언가를 요청하기 위해 interrupt를 걸어서 OS 커널의 함수를 호출할 수가 있는데, 이러한 과정이 바로 시스템 콜입니다.

인터럽트 (Interrupt)

인터럽트(Interrupt)란 프로그램 실행 중에 입출력 하드웨어 등의 장치에 예기치 않은 상황이 발생할 경우 현재 실행중인 작업을 중단하고 발생된 상황을 처리한 후 다시 실행중인 작업으로 복귀하는 작업입니다.

인터럽트는 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나눌 수 있습니다.

 

• 하드웨어 인터럽트 (= Interrupt): 하드웨어(Timer, Device Controller, DMA Controller 등)가 발생시킨 인터럽트
• 소프트웨어 인터럽트 (= Trap)
  • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
  • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

인터럽트가 발생하게 되면, 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 Program Counter를 저장한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘깁니다.현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됩니다. 인터럽트가 들어올 때만 CPU 제어권이 OS에게 넘어가며, 그렇지 않으면 CPU는 항상 사용자 프로그램이 사용하고 있게 되는 것입니다.

인터럽트 관련 용어

인터럽트가 들어오면 상황에 맞게 처리해야 할 일들이 운영체제 안에 커널 함수로 정의되어있습니다.

• 인터럽트 벡터: 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
• 인터럽트 처리 루틴(= Interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러): 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

동기식 입출력과 비동기식 입출력

동기식 입출력 (Synchronous I/O)

I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어갑니다.

 

구현방법 1: CPU를 가지고 있으면서 기다림

• I/O가 끝날 때까지 CPU를 낭비시킴
• 매시점 하나의 I/O만 일어날 수 있음

→ 비효율적인 방법

 

구현방법 2: 기다리는 시간동안 CPU를 다른 프로세스한테 넘겨줌

• I/O가 완료될 때까지 해당 프로그램에서 CPU를 빼앗음
• I/O 처리를 기다리는 큐에 해당 프로그램을 넣음
• 다른 프로그램에게 CPU를 주는 방식으로 구현
• I/O 작업이 완료되면 device controller가 인터럽트를 걸어 완료를 알림

→ CPU, I/O 둘다 동시에 여러 작업 가능

비동기식 입출력 (Asynchronous I/O)

I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어갑니다. (다른 작업을 위한 instruction 곧바로 실행)

 

동기식 입출력 vs 비동기식 입출력

I/O 작업은 시간이 많이 걸리는 작업입니다. 일정 시간이 흘러야 I/O작업이 끝나게 되고 I/O요청에 대한 결과가 사용자에게 도착하는데(device controller가 인터럽트를 걸어서 끝났음을 알리게 됨), 결과를 확인하고(도착까지 기다렸다가) 사용자가 다음 작업을 한다면 동기식 입출력 방식이고, I/O작업 요청만 해놓고 바로 CPU제어권을 얻어서 다른 작업들을 하는 것은 비동기식 입출력 방식입니다.

 

보통의 경우(read 작업)에는 I/O작업의 결과물을 가지고 다음 작업을 하게 되기 때문에 동기식(sync) 입출력 방식이 일반적입니다.하지만, 하지만, 그 결과물없이 그 다음 작업을 할 수 있는 경우(출력결과 굳이 바로 보지 않아도 할 수 있는 작업들)들도 있습니다. 이 경우에는 I/O 결과물 기다리는 동안 그 작업을 먼저 할 수 있도록 비동기식(async) 입출력 방식으로 I/O요청을 하게 됩니다.

 

동기식 입출력 방식의 경우, 구현방법 1과 같이 I/O가 끝날 때까지 CPU가 아무일도 하지않고 기다린다면 CPU, I/O 둘다 낭비되는 것이기 때문에 구현방법 2와 같이 동시에 여러 작업이 가능하도록 합니다.

 

동기식, 비동기식 입출력 방식 두 경우 모두 I/O작업의 완료는 인터럽트로 알려주게 됩니다.