CPU 가상화 구현 - 제한적 직접 실행
1. CPU 가상화 구현
CPU 가상화를 구현하기 위해서 Time sharing 방식을 이용한다. 프로세스들이 일정한 시간마다 CPU를 나눠쓰는 방식이다. 이러한 Time sharing 방식을 빠르고 효율적으로 진행시키기 위해 운영체제 개발자들은 제한적 직접 실행(Limited Direct Execution) 이라는 기법을 개발했다. 이에 대해 자세히 알아보자.
먼저 직접실행 은 간단하다. 단순히 CPU가 프로세스를 실행한다는 것을 의미한다. 하지만 여기서 2가지 문제가 발생한다.
프로세스가 특수한 종류의 연산을 수행하길 원한다면 어떻게 할 것인가?
어떤 프로세스를 다음에 실행시킬 것인가?
2. 문제1 : 제한된 연산
2.1 사용자모드와 커널모드
프로세스가 아무 파일에 접근하고, 메모리를 수정한다면 심각한 오류가 발생할 것이다. 따라서 OS는 모드를 2가지로 나눴다.
사용자 모드(user mode)
커널 모드(kernel mode)
사용자 모드에서는 실행할 수 있는 코드가 제한되도록 하고 커널모드에서 중요한 코드를 실행하도록 하는 것이다.
그렇다면 사용자가 특권 명령어를 실행하고 싶다면 어떻게 해야할까?
이를 해결하기 위해 OS는 시스템콜 을 제공한다. 시스템콜을 실행하기 위해서는 trap이라는 특수 명령어를 실행해야 한다. 이 명령어를 실행하면, 권한을 커널모드로 상향시킨다. 그리고 프로세스가 커널모드에서 처리해야할 작업을 마치면 return-from-trap 명령어를 호출에 다시 사용자 모드로 권한을 하향시킨다.
2.2 trap과 interrupt
우리는 이전에 프로세스의 상태에 대한 그림에서 running 에서 ready 상태가 되는 것은 interrupt로 인해 발생한다고 그렸다. 여기서 interrupt의 의미를 살펴보면, interrupt는 CPU의 정상 진행을 방해한다는 의미로, CPU의 진행을 멈추게 하는 역할을 한다. 이러한 interrupt는 크게 2가지로 나뉜다. 오류, 에러등으로 인해 발생하는 내부 인터럽트와 타이머 인터럽트(일정 시간의 간격마다 지속적으로 인터럽트를 발생시키는 것) 혹은 I/O 에 의해 발생하는 외부 인터럽트이다.
trap과 매우 비슷한 의미로 보이지만 다소 차이점이 있다. interrupt는 하드웨어에 의해서 발생하고, trap은 소프트웨어에 의해 발생한다는 점이다.
3. 문제2 : 프로세스간 전환
이제 2번째 문제에 대해 살펴보자. 프로세스를 어떤 기준으로 전환할 것인가. 2가지 방식이 있다.
협조 방식(cooperative) : 시스템콜 기다리기 말그대로 진행중인 프로세스가 스스로 시스템콜을 보내, 운영체제가 다시 CPU의 제어권을 갖게 하는 것이다. 하지만 이 방식이 제대로 작동하려면, 프로세스를 신뢰할 수 있어야 한다는 전제가 필요하다.
비협조 방식 : 운영체제가 전권을 행사 위에서 언급한
Timer interrupt를 이용해 일정 시간마다interrupt를 발생시켜 운영체제가 CPU의 제어권을 얻는 방식이다.interrupt가 발생하면 현재 수행중인 프로세스는 중단되고 미리 구성된 운영체제의 인터럽트 핸들러가 실행된다. 이 시점에 운영체제는 CPU 제어권을 얻게되는 것이다.
4. 부팅 ~ 타이머 인터럽트를 통한 프로세스 전환까지의 과정
(부팅중)
운영체제 : 트랩테이블 초기화, 인터럽트 타이머 시작시키기
하드웨어 : 타이머 시작
(부팅완료)
사용자모드 : 프로세스 A 실행
하드웨어 :
Timer interrupt발생, 프로세스 A 레지스터를 커널 스택에 저장, 커널모드 이동, 트랩핸들러 분기운영체제 :
Trap처리, 프로세스 B로 전환,return-from-trap실행하드웨어 : B의 커널스택을 B의 레지스터로 저장, 사용자모드로 이동
사용자모드 : 프로세스 B 실행
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