[운영체제] 01. 운영체제란 무엇인가

[인터럽트 처리 과정]

1. I/O 장치가 작업 완료
2. 장치 컨트롤러가 인터럽트 신호 발생
         |
         v
3. CPU가 현재 작업 중단
4. 현재 상태(PC, 레지스터)를 스택에 저장
         |
         v
5. 인터럽트 벡터를 통해 ISR 주소 확인
6. ISR(Interrupt Service Routine) 실행
         |
         v
7. 저장된 상태 복원
8. 중단된 작업 재개

// 인터럽트 벡터 테이블 개념도
// 각 인터럽트 번호에 대응하는 ISR 주소를 저장

typedef void (*isr_handler_t)(void);

isr_handler_t interrupt_vector_table[256];

// 인터럽트 번호 0: 0으로 나누기 예외
// 인터럽트 번호 1: 디버그 예외
// 인터럽트 번호 14: 페이지 폴트
// ...
// 인터럽트 번호 32~255: 사용자 정의(I/O 장치 등)

void handle_interrupt(int interrupt_number) {
    // 인터럽트 벡터에서 핸들러를 찾아 실행
    isr_handler_t handler = interrupt_vector_table[interrupt_number];
    if (handler != NULL) {
        handler();
    }
}

[저장 장치 계층]

      빠름 / 비쌈 / 작음
        +-----------+
        | 레지스터   |    < 1ns
        +-----------+
        |  캐시 (L1) |    ~1ns
        +-----------+
        |  캐시 (L2) |    ~4ns
        +-----------+
        |  캐시 (L3) |    ~10ns
        +-----------+
        | 메인 메모리 |    ~100ns     (휘발성)
        +-----------+
        |   SSD     |    ~100us     (비휘발성)
        +-----------+
        |   HDD     |    ~10ms
        +-----------+
      느림 / 저렴 / 큼

[DMA 동작 과정]

CPU                     DMA 컨트롤러           메모리
 |                           |                   |
 |-- DMA 전송 요청 --------->|                   |
 |   (소스, 목적지, 크기)     |                   |
 |                           |--- 데이터 전송 --->|
 |                           |--- 데이터 전송 --->|
 |                           |--- 데이터 전송 --->|
 |<-- 전송 완료 인터럽트 ----|                   |
 |                           |                   |

[SMP 아키텍처]

  CPU 0        CPU 1        CPU 2
 [레지스터]   [레지스터]   [레지스터]
 [캐시]       [캐시]       [캐시]
    |             |             |
    +------+------+------+------+
           |             |
      [공유 메모리]  [I/O 시스템]

[멀티코어 프로세서 구조]

+--------------------------------------+
|           하나의 CPU 칩               |
|  +--------+  +--------+  +--------+ |
|  | 코어 0  |  | 코어 1  |  | 코어 2  | |
|  |[L1캐시] |  |[L1캐시] |  |[L1캐시] | |
|  +--------+  +--------+  +--------+ |
|         +----------+                  |
|         | L2 캐시   |                  |
|         +----------+                  |
+--------------------------------------+
              |
         [메인 메모리]

[NUMA 아키텍처]

+------------------+     인터커넥트     +------------------+
|     노드 0       |<================>|     노드 1       |
| CPU 0  CPU 1    |                   | CPU 2  CPU 3    |
| [로컬 메모리 0]  |                   | [로컬 메모리 1]  |
+------------------+                   +------------------+

로컬 메모리 접근: 빠름 (~100ns)
원격 메모리 접근: 느림 (~300ns)

[모드 전환 과정]

사용자 모드                          커널 모드
    |                                   |
    |-- 시스템 콜 호출 ---------------->|
    |   (트랩 발생, 모드 비트 0)        |
    |                                   |-- 시스템 콜 처리
    |                                   |
    |<-- 시스템 콜 반환 ---------------|
    |   (모드 비트 1로 복원)            |
    |                                   |

// 시스템 콜 예시: 파일 읽기
// 사용자 프로그램에서 read() 호출

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char buffer[1024];

    // open()은 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);

    // read()도 시스템 콜 - 커널이 I/O 수행
    ssize_t bytes = read(fd, buffer, sizeof(buffer));

    printf("읽은 바이트: %zd\n", bytes);
    close(fd);
    return 0;
}

[운영체제 핵심 개념 요약]

+------------------------------------------+
|              응용 프로그램                  |
+------------------------------------------+
|       운영체제 (커널)                      |
|  +------+ +--------+ +--------+ +------+ |
|  |프로세스| |메모리   | |파일    | |I/O   | |
|  |관리   | |관리     | |시스템  | |관리   | |
|  +------+ +--------+ +--------+ +------+ |
+------------------------------------------+
|              하드웨어                      |
|  CPU / 메모리 / 디스크 / I/O 장치         |
+------------------------------------------+