03. System Call

System Call

일반 user mode에서 동작하다가 CPU가 interrupt를 받으면 CPU는 kernal mode로 바꾸고 발생한 interrupt에 따라 작업을 한다.

즉, interrupt가 발생하면 user mode -> kernal 모드로 transition이 일어난다고 할 수 있다.
kernal mode로 전환되는 방법중 interrupt가 아닌 다른 방법이 바로 System Call이다.

system call이란 운영체제가 제공하는 서비스를 부르기 위한 프로그래밍 인터페이스 라고 정의할 수 있다. 보통 API를 통하여 호출된다.
특정 low-level 작업(예:하드웨어를 직접 접근하는 작업)은 assembly 명령을 사용하여 작성되어야 하더라도 이러한 Call은 일반적으로 C와 C++언어로 작성된 함수 형태로 제공된다.

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Multi-mode CPU

user가 시스템의 중요한 부분에 함부로 접근하는 것을 막기 위하여 CPU는 2가지 모드로 나뉘어 운영된다.

• User mode : 어느 정도의 제한이 있고, 가벼운 명령어들을 처리할 수 있는 모드
• Kernal mode : 모든 명령어들이 처리 가능하고, 메모리와 CPU를 직접적으로 건드릴 수 있기 때문에 잘못하면 컴퓨터에 치명적인 손상을 가할 수 있다. 운영체제는 CPU의 kernal mode를 관리감독하는 역할을 수행한다.

유저모드에서 가능한 명령어는 모두 커널모드에서 사용이 가능하고, 반대로 커널모드에서만 사용할수 있는 명령어들을 privileged instruction 이라고 한다.

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Privileged Instructions

privileged instruction은 조심해서 사용하여야 하는 명령어들이다.

• Accessing/munuplating system registers
  레지스터에 관한 명령이다. interrupt에 관여하는 IDT명령이나 control register처럼 레지스터에 관한 중요한 명령은 privileged instruction이다. 레지스터는 CPU안에 들어있기 때문에 매우 중요하다.
  • interrupt descriptor table(IDT)
  • Control registers
• Accessing I/O devices
  키보드가 디스크의 접근에 관한 명령어로, 키보드나 디스크의 input을 함부로 가로채는 것은 위험하기 때문에 privileged instruction이다.
  • E.g., IN/OUT instructions in IA-32
• Memory state management
  메모리 상태를 관리하는 명령어도 privileged instruction이다.
  • Page table updates, page table pointers, TLB loads, etc
• HTL instruction in IA-32
  컴퓨터를 종료시킬 수 있는 명령어이다.

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Interrupt vs Exception

Interrupt

• 하드웨어에 의해 발생된다.
• asynchronously 하게 발생된다. (Occurs at any time)

Exception

• 소프트웨어 실행중에 발생된다.
• synchronously 하게 발생된다.
• 주로 user mode에서 privileged instrution을 실행하려다가 발생한다.

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A View of Operating System Services

Services Provided by the OS

• program execution(프로그램 수행)
  • 시스템은 프로그램을 메모리에 적재해 실행할 수 있어야 한다.
  • 프로그램은 정상적이든, 비정상적이든 실행을 끝낼 수 있어야 한다.(오류를 표시하면서)
• I/O operations(입출력 연산)
  • 실행중인 프로그램은 입출력을 요구할 수 있다. 이러한 입출력에는 파일 혹은 입출력 장치가 연관될 수 있다.
• file system manipulation(파일 시스템 조작)
  • 프로그램은 파일을 읽고, 쓰고, 만들고, 삭제할 필요가 있다.
  • 또한 파일을 찾을 수 있어야 하고 파일의 정보를 열거할 수 있어야 한다.
• Communication(통신)
  • 한 프로세스가 다른 프로세스와 정보를 교환해야 할 필요가 있는 여러 상황이 있다.
    • 동일한 컴퓨터에서 수행되고 있는 프로세스들 사이의 통신
    • 네트워크에 의해 함께 묶여 있는 서로 다른 컴퓨터 시스템상에서 수행되는 프로세스들 사이의 통신
  • 공유 메모리(shared memory) 또는 메세지 전달(message passing)기법을 사용하여 구현된다.
• Error detection(오류 탐지)
  • 운영체제는 항상 모든 가능한 오류를 의식하고 있어야 한다.
    • 오류는 CPU,메모리 하드웨어,I/O devices 또는 user program에서 일어날 수 있다.
    • OS는 올바르고 일관성 있는 계산을 보장하기 위해 각 유형의 오류에 대해 적절한 조치를 취해야 한다.
    • 디버깅 설비는 시스템을 효율적으로 사용할 수 있는 사용자와 프로그래머의 능력을 향상시킨다.
• Resource allocation(자원 할당)
  • 다수의 프로세스나 다수의 작업이 동시에 실행될 때, 그들 각각에 자원을 할당해 줘야 한다.
  • 다양한 type의 resources - CPU cycles, main memory, file storage, I/O devices
• Accounting(회계)
  • 어떤 프로그램이 어떤 종류의 resource를 얼마나 많이 사용하는지 추적한다.
• Protection and security(보호와 보안)

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Types of System Calls

시스템 콜은 아래 다섯 가지 중요한 범주로 묶을 수 있다.

• File management
  • 파일 생성,삭제
  • 파일 open,close
  • read, write, reposition(위치 변경)
  • 파일 속성 획득 및 설정
• Device management
  • 장치를 요구, 장치를 방출
  • read, write, reposition
  • 장치 속성 획득 및 설정
  • 장치의 논리적 attach or detach
• Information maintenance(정보 유지)
  • 시간과 날짜의 설정과 획득
  • 시스템 데이터의 설정과 획득
  • 프로세스, 파일, 장치 속성의 획득 및 설정
• Commmunications
  • 통신 연결의 생성, 제거
  • 메세지의 송신, 수신
  • 상태 정보 전달
  • 원격(remote)장치의 attach and detach
• Protection
  • control access to resources
  • get and file permissions
  • allow and deny user access

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Standard C Library Example

표준 C 라이브러리는 많은 버전의 UNIX, Linux를 위한 system call interface를 제공한다.

printf()문을 호출하는 C 프로그램을 예로 들어보자.
C 라이브러리는 이 printf() 호출을 가로채고 write() system call을 부른다.
C 라이브러리는 write()의 반환 값을 받아 이를 사용자 프로그램에게 되돌려 준다.

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