feat: [OS] OS 개론(2) (#32)

* feat: [OS] OS 개론(2)

* add: 인터럽트 내용 추가

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OS/OS 개론(2).md

@@ -0,0 +1,114 @@
+#OS
+
+>operating system concepts 10th 1장을 토대로 정리하였습니다.
+
+# 1️⃣ Events(이벤트 처리)
+
+이전 OS 개론(1)에서 나왔다시피 컴퓨터 하드웨어는 기본적으로 CPU, 메모리, I/O device로 구성되어 있습니다.
+CPU와 I/O device는 동시에 실행될 수 있는데요. 장치 컨트롤러는 CPU에게 이벤트 발생을 알리는데, 이벤트 발생을 알리는 것을 ==**인터럽트**(Interrupt)==라고 부릅니다.
+
+인터럽트는 '방해하다’라는 뜻으로, 컴퓨터에서는 신호를 보내 이벤트 발생을 알리는 것을 의미합니다.
+보통 컴퓨터는 여러 작업을 동시에 처리하는데, 이때 당장 처리해야 하는 일이 생겨서 기존의 작업을 잠시 중단해야 하는 경우 인터럽트 신호를 보내게 됩니다.
+그러면 커널은 작업을 멈추고 인터럽트를 처리한 뒤 다시 기존 작업으로 돌아오게 됩니다.
+
+인터럽트는 하드웨어나 소프트웨어에 의해 발생할 수 있으며,
+
+소프트웨어에 의해 발생하는 인터럽트는 ==**트랩**(Trap)==과 ==**시스템 콜**==이 있습니다. 
+
+하드웨어의 경우 시스템 버스(System bus)를 통해 CPU에 신호를 보냄으로써 인터럽트를 발생시킵니다.
+
+![[Pasted image 20250106112629.png]]
+
+### Common Functions of Interrupts
+
+컴퓨터는 여러 작업을 동시에 처리하는데, 만약 CPU가 인터럽트 신호를 받으면, 앞서 말했듯이 하던 일을 잠시 멈추고 메모리의 어떤 고정된 위치(Fixed location)를 찾게됩니다.
+
+이 위치는 **인터럽트 벡터**(Interrupt vector)에 저장되어 있습니다.
+
+>❓**인터럽트 벡터?**
+	인터럽트 백트는 인터럽트를 처리할 수 있는 **서비스 루틴**(Service routine)들의 주소를 가지고 있는 공간을 말함(진입점 주소만 제공)
+	인터럽트 번호는 운영체제가 결정함.
+
+>**리눅스에서 인터럽트 번호**  
+	 0 ~ 31 : 예외상황 인터럽트  
+	32 ~ 47 : 하드웨어 인터럽트  
+	128 : 시스템콜
+
+##### 그렇다면 인터럽트 처리 방식에 대해 알아봅시다!
+
+인터럽트가 발생하면 CPU는 사전에 정의된 방식으로 인터럽트 핸들러를 호출하여 문제를 처리합니다.
+CPU는 테이블에서 찾은 예외 핸들러의 시작 주소로 점프하여, 커널이 작성해 둔 예외 처리 코드를 실행하게 됩니다.
+
+인터럽트가 발생했을 때, CPU가 어떤 코드(인터럽트 핸들러)를 실행할지를 결정하기 위해서는, 먼저 해당 인터럽트 번호에 대응하는 핸들러의 시작 주소를 알아야 합니다. 
+이 정보를 저장해 놓은 자료구조가 바로 ==인터럽트 벡터 테이블(IVT)== 입니다
+
+> **IVT와 인터럽트 핸들러의 관계는...**
+> 
+> 1. IVT에는 인터럽트 핸들러의 주소가 저장되어 있음
+> 	인터럽트 번호 → 핸들러 코드가 시작되는 메모리 주소
+> 2. 인터럽트 발생  
+> 	CPU가 “인터럽트 번호”를 확인하고, 해당 번호에 맞는 엔트리를 IVT에서 조회
+> 3. 핸들러 실행  
+> 	IVT에 기록된 핸들러의 시작 주소로 점프(분기)하여 인터럽트 처리를 수행
+
+	즉, IVT는 인터럽트 핸들러를 호출하기 위한 주소 안내표 역할을 하고, 실제로 인터럽트를 처리하는 로직은 인터럽트 핸들러(ISR) 쪽에 구현되어 있다고 볼 수 있습니다.
+
+이렇게 인터럽트를 처리하고나면 CPU는 다시 원래 작업으로 돌아오게 됩니다. 
+어떤 값을 0으로 나누는 것(Division by zero)도 인터럽트이며, 이러한 내부 인터럽트(Internal interrupt)는 예외(Exception)라고 부릅니다.
+
+참고로 system call의 종류는 다음과 같습니다.
+
+![[Pasted image 20250106114208.png|500]]
+
+# 2️⃣ Timer
+
+Timer는 두 가지 종류가 있습니다.
+
+1. **CPU 내부의 시계**
+2. **운영체제에서 사용하는 시계**
+
+**CPU 내부의 시계**는 ==**클럭(Clock)**==이라고 하며, CPU가 명령을 처리하는 기본적인 동작 주기를 제공합니다.
+예를 들어, 4.3GHz 클럭 속도라면, CPU는 초당 43억 회의 클럭 사이클을 수행할 수 있다는 뜻입니다.
+이러한 클럭은 CPU 내부의 각 구성 요소(산술 논리 유닛(ALU), 레지스터 등)와 외부 장치 간의 동기화를 유지합니다.
+
+**운영체제에서 사용하는 시계**는 주기적으로 ==**타이머 인터럽트**==를 발생시켜 시계를 관리합니다.
+타이머 인터럽트는 일정한 주기로 발생하며, 이를 통해 CPU는 현재 시간을 계산하거나 프로세스를 스케줄링합니다.
+역할로는 시스템 시간 관리, 프로세스 스케줄링, 디바이스 동기화가 있습니다.
+
+# 3️⃣ Resource Management
+
+리소스는 사용자가 작업을 하기 위한 자원(CPU,메모리,입출력장치)을 말합니다.
+
+이러한 자원들의 관리 필요성은 다음과 같습니다.
+
+- **자원의 한정성** : 컴퓨터의 자원은 한정되어 있으므로, 여러 프로세스가 동시에 실행되는 환경에서 적절히 관리하지 않으면 병목 현상이 발생하거나 특정 프로세스가 자원을 독점할 수 있습니다.
+- **공정한 사용** : 모든 프로세스가 공정하게 자원을 사용할 수 있도록 보장해야 합니다.
+- **효율성** : 시스템의 성능을 극대화하려면 자원을 낭비 없이 효율적으로 할당해야 합니다.
+- **안정성** : 잘못된 자원 관리로 인해 데드락(Deadlock)이나 자원 부족으로 시스템이 비정상적으로 작동하는 상황을 방지해야 합니다.
+
+운영 체제는 고객(**프로세스**)이 효율적이고 공정하게 자원을 사용할 수 있도록 중간 관리자의 역할을 수행하며, 시스템의 성능과 안정성을 유지합니다.
+
+이를 위해 운영체제는 Process, Memory, Storage, File-System, Mass-Storage Management를 수행합니다. 더 자세한 건 각 자원 관리에 대해 따로 정리해보겠습니다.
+
+# 4️⃣ Caching
+
+앞 페이지에서 컴퓨터는 폰 노이만 구조로 이루어져 있다고 했었습니다.
+폰 노이만 구조는 CPU가 **명령어를 Fetch → Decode → Execute**하는 단계를 반복적으로 수행하는걸 말하는데요.
+이는 CPU와 메모리 사이의 단일 버스를 통해 데이터와 명령어를 주고받는 구조라고 말할 수 있습니다.
+
+이 구조의 특징인 **단일 버스**는 데이터와 명령어를 동시에 처리하지 못하기 때문에 병목(Bottleneck)이 발생할 수 있습니다. 이를 **폰 노이만 병목 현상**(Von Neumann Bottleneck)이라 부르는데요.
+
+병목 현상의 원인으로는 메모리의 접근 속도가 CPU의 연산 속도보다 느리고, CPU가 더 많은 연산을 빠르게 처리할 수 있어도 메모리로부터 데이터를 가져오는 데 걸리는 시간이 전체 성능을 제한하기 때문입니다.
+
+위의 CPU와 메모리 간의 속도를 줄이기 위해 ==**캐시 메모리(Cache Memory)**==가 도입되었습니다.
+캐시 메모리는 CPU 내부나 가까운 위치에 배치되어 **가장 자주 사용되는 데이터**(명령어 및 연산 데이터)를 저장합니다.
+캐시는 굉장히 작은 저장장치로 SRAM(Static RAM) 기술을 사용하여 DRAM(일반 메모리)보다 훨씬 빠른 속도를 제공해주어 병목현상을 해결해 줄 수 있습니다.
+
+작동 원리로는 다음과 같습니다.
+
+1. CPU가 데이터를 요청하면 먼저 캐시를 확인합니다(**cache hit**)
+2. 캐시에 데이터가 없는 경우 메모리에서 데이터를 가져와 캐시에 저장하고, CPU가 이를 사용합니다(**cache miss**)
+
+여기서 캐시 성능을 정량적으로 평가하거나 분석하기 위해서 기대값을 사용할 수 있습니다.
+캐시 메모리의 기대값을 계산하면 성능 병목을 정량적으로 평가하고, 효율적인 설계와 최적화를 지원할 수 있습니다.
+