System Call (+ OS, Kernel)

OS (Operating system)

 

Hardware - OS - Process

 

Definition :

 

- 컴퓨터 하드웨어와 사용자 사이의 인터페이스

- 시스템 자원을 효율적으로 관리하여 응용 프로그램이 동작할 수 있게 하는 소프트웨어

 

Main Function :

1. 자원 관리
   CPU, Memory, Disk, 입출력 장치와 같은 시스템 자원 관리
   다수의 프로그램 동시간대 진행, 각각의 프로그램 동작에 필요한 자원을 할당 및 해제하며 효율성을 높인다
   
2. 프로세스 관리
   프로세스 생성 / 실행 / 정지 / 중단 / 스케줄링 등의 작업 관리
   다수의 프로세스가 동시간대에 진행되도록 하고, 각 프로세스에 자원을 할당 및 해제하며 효율성을 높인다
   
3. 파일 시스템 관리
   파일과 디렉터리 생성 / 읽기 / 쓰기 / 삭제 등의 파일 관리 작업 수행
   데이터를 저장하고 관리하는 데 필요한 기능 제공
   
4. 입출력 관리
   입출력 장치와의 효율적인 데이터 교환 관리
   (Disk, Network, Hardward, …)
   
5. 사용자 인터페이스 제공
   사용자와 시스템 간의 상호 작용을 가능케 하는 인터페이스 제공

 

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Kernel

 

Hardware -OS -Kernel

 

Definition :

 

- OS의 핵심적인 기능(프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리 등)이 모인 소프트웨어 구성 요소

- 시스템 부팅과 함께 운영체제가 동작하며, 커널은 항상 메모리에 상주한다

 

Main Function :

시스템 자원 관리	CPU, Memory, Disk, Network 등의 시스템 자원 관리
프로세스 관리	프로세스의 생성, 스케줄링, 동기화, 통신 담당
메모리 관리	프로세스가 메모리에 할당되고 해제될 수 있게 함 가상 메모리를 통해 메모리의 효율적인 활용 지원 / 페이지 교체 기능 등 제공
입출력 관리	입출력 장치와의 통신을 관리하여 데이터 읽기/쓰기 시스템 - 사용자 간 상호 작용 지원
파일 시스템 관리	파일과 디렉토리의 생성/읽기/쓰기/삭제 등의 파일 시스템 작업 수행

 

- OS, Kernel 모두 소프트웨어니까 메모리에 올라가야 하는데 ?

OS는 메모리에 모두 적재되기에는 너무 큰 사이즈
-> OS의 필수적인 기능만 메모리에 항상 상주시킨다
--> 메모리에 상주하는 OS의 일부 == Kernel

 

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CPU Mode 

 

User Mode <-> Kernel Mode

 

Definition :

 

- 응용 프로그램이 시스템을 손상시키는 것을 방지하기 위해 2가지 모드 제공

- Mode bit로 모드를 구분 (0 == Kernel Mode / 1 == User Mode) (레지스터에 해당 비트 저장)

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1) User Mode :

 

- 응용 프로그램이 CPU를 사용하는 모드

- 해당 모드에서는 하드웨어 장치에 접근할 수 없다

 

2) Kernel Mode :

 

- OS가 CPU를 사용하는 모드

- 시스템 콜, API 호출을 통해 Kernel Mode로 전환이 가능

- Kernel Mode로 전환 이후, OS는 하드웨어를 제어하는 Privileged Instructions 실행

- 해당 Instruction은 User Mode에서 사용되는 exception 발생

- Kernel Mode에서 프로그램 충돌 발생 시, 전체 시스템이 충돌 또는 정지

 

User Mode <-> Kernel Mode

 

- User Mode에서 System Call 호출 → Kernel Mode 진입 및 동작 → 다시 User Mode로 전환

 

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System Call (=syscall)

 

Hardware - OS - Kernel

 

Definition :

 

- OS가 제공하는 기능에 대해, 응용 프로그램의 요청에 따라 해당 기능을 사용하기 위한 인터페이스

- Kernel Mode로 진입하여, OS 기능을 사용할 수 있게 한다

 

 

Main Function :

 

1. 프로세스 제어 (Process Control):
   fork(): 새로운 프로세스를 생성 / 부모 프로세스와 자식 프로세스가 동일한 프로그램을 실행, 부모 프로세스의 상태를 자식 프로세스가 복사
   exec(): 새로운 프로그램을 실행 / 현재 프로세스의 주소 공간을 새로운 프로그램으로 교체
   wait(): 자식 프로세스의 종료 대기 / 자식 프로세스가 종료되면 그에 대한 정보를 반환
   exit(): 현재 프로세스를 종료

2. 파일 조작 (File Manipulation):
   open(): 파일을 열고, 파일 디스크립터를 반환
   close(): 파일 디스크립터로 지정된 파일을 닫음
   read(): 파일에서 데이터를 읽음
   write(): 파일에 데이터를 작성
   seek(): 파일 내에서 특정 위치로 이동

3. 디바이스 조작 (Device Manipulation):
   ioctl(): 특정 장치에 대한 제어 명령을 수행
   read(), write(): 장치로부터 데이터를 읽거나 데이터를 기록

4. 정보 유지 (Information Maintenance):
   getpid(): 현재 프로세스의 ID를 반환
   getuid(), getgid(): 현재 사용자 ID와 그룹 ID를 반환
   time(): 현재 시간을 반환

5. 통신 (Communication):
   socket(), bind(), listen(), accept(), connect(): 네트워크 통신을 위한 소켓을 생성 및 설정
   send(), recv(): 데이터를 송수신

6. 보호 (Protection):
   chmod(), chown(): 파일의 권한을 변경
   umask(): 파일 생성 시의 기본 권한을 설정
   setuid(), setgid(): 프로세스의 실행 권한을 변경

 

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 * 일반적으로 직접적인 시스템 콜 호출이 아닌, API(라이브러리 함수)를 통해 Kernel Mode에 진입함

 

API -> system call 호출

 

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf ("Hello World!");
    return 0;
}

—> printf 함수는 stdio 라이브러리 호출 [User mode]

—> stdio 라이브러리는 syscall인 write() 호출 [User mode → Kernel mode]

—> 모니터에 문자열 출력 이후 printf 다음 단계로 이동 [Kernel mode → User mode]

 

System Call :

- 커널의 기능을 사용자가 사용할 수 있게 만든 함수
- 호출 시 커널 모드로 전환되어 실행
- 오류 발생 시 -1 리턴 / 정상은 0 이상의 값 리턴

Library Function :

- 사용자가 많이 사용하는 (커널의) 기능을 미리 함수로 만들어 놓은 것
- 내부적으로 시스템 콜을 사용하지만 호출 시 사용자 모드에서 실행

 

API -> system call 호출 및 동작 과정

 

# printf() -> write() 과정

1. 라이브러리 함수 (printf) 호출

2. 라이브러리 함수 내에서 시스템 콜(write) 호출

3. 시스템 콜마다 다른 고유 인덱스(write = 4)를 레지스터에 저장한다

4. 0x80 인터럽트를 발생시킨다 (커널 모드로 전환)

5. IDT(Interrupt Descriptor Table)을 참조하여 system_call()을 호출한다

6. 이때 레지스터에 저장된 인덱스 4를 system_call() 함수 내에 전달한다

7. sys_call_table을 참조해 해당 인덱스에 맞는 기능(sys_write)을 호출한다.

8. 동작 완료 이후 사용자 모드로 전환한다.

 

 

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Reference

 

https://codybuilder.com/41

[OS] 시스템 콜(System Call)

https://didu-story.tistory.com/311

[Operating System] (iOS) System Call (시스템콜, 시스템 호출이란?)

https://math-coding.tistory.com/80

[Operating System] 운영체제의 구조

https://goodmilktea.tistory.com/23

1. 운영체제와 커널이란?