시스템 호출과 인터럽트
운영체제의 커널은 컴퓨터 시스템의 핵심 부분으로, 하드웨어와 응용 프로그램 사이의 중재자 역할을 합니다.
커널 인터페이스는 주로 두 가지 방식으로 응용 프로그램 및 하드웨어와 상호작용합니다.
시스템 호출과 인터럽트.
이번 글에서는 이 두 가지 메커니즘에 대해 자세히 설명하고,
개념 이해를 돕기 위한 가상 시나리오와 예시 코드를 예시로 들어보겠습니다.
운영체제와 응용 프로그램 사이의 관계
운영체제와 응용 프로그램은 상호 의존적인 관계를 가지고 있습니다. 운영체제는 응용 프로그램이 실행될 환경을 제공하며, 응용 프로그램은 운영체제를 통해 시스템 자원에 접근합니다. 유일한 호출 방법인 시스템 호출(System Call)에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
시스템 호출 (System Call)이란 무엇인가?
시스템 호출은 응용 프로그램이 운영체제의 서비스를 요청하는 유일한 방법입니다. 예를 들어, 파일을 읽거나 쓰는 작업, 프로세스를 생성하거나 종료하는 작업 등이 시스템 호출을 통해 이루어집니다. 시스템 호출은 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하지 않도록 보호하고, 커널이 모든 자원 접근을 관리할 수 있게 합니다.
시스템 호출의 주요 역할
파일 관리: 파일 열기, 읽기, 쓰기, 닫기 등 파일 시스템과 상호작용할 수 있는 기능을 제공합니다.
프로세스 관리: 프로세스 생성, 종료, 대기 등 프로세스 제어 기능을 제공합니다.
메모리 관리: 메모리 할당, 해제, 보호 등 메모리 관련 기능을 제공합니다.
장치 관리: 하드웨어 장치와의 상호작용을 지원합니다.
통신: 프로세스 간 통신(IPC)을 위한 기능을 제공합니다.
시스템 호출의 동작 과정
시스템 호출 요청: 응용 프로그램에서 시스템 호출을 요청합니다. 이는 주로 라이브러리 함수(예: printf, fopen)를 통해 이루어집니다.
커널 모드 전환: 시스템 호출이 발생하면 CPU는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환됩니다.
시스템 호출 처리: 운영체제 커널이 시스템 호출을 처리하고, 요청된 작업을 수행합니다.
결과 반환: 작업이 완료되면 커널 모드에서 사용자 모드로 전환되고, 결과가 응용 프로그램에 반환됩니다.
운영체제와 하드웨어 사이의 관계
운영체제와 하드웨어 사이의 인터럽트는 컴퓨터 시스템에서 중요한 역할을 하는 메커니즘입니다.
이를 통해 하드웨어와 소프트웨어 간의 효율적인 상호작용을 가능하게 합니다.
인터럽트(Interrupt)란 무엇인가?
인터럽트(Interrupt)는 하드웨어나 소프트웨어에서 발생하는 특정 이벤트가 CPU의 현재 작업을 중단시키고, 해당 이벤트를 처리하기 위해 미리 정의된 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine, ISR)을 실행하는 메커니즘입니다. 인터럽트는 주로 하드웨어 장치가 CPU의 주의를 필요로 할 때 발생합니다.
인터럽트의 종류
- 하드웨어 인터럽트: 외부 하드웨어 장치(예: 키보드, 마우스, 디스크 드라이브 등)가 발생시키는 인터럽트입니다. 예를 들어, 키보드에서 키를 누르면 키보드 컨트롤러가 CPU에 인터럽트를 보내어 해당 키 입력을 처리하게 합니다.
- 소프트웨어 인터럽트: 소프트웨어 명령에 의해 발생하는 인터럽트입니다. 주로 시스템 호출이나 예외 처리 시 발생합니다.
인터럽트의 동작 과정
인터럽트 발생: 하드웨어 장치에서 인터럽트 신호를 CPU로 보냅니다.
인터럽트 인식: CPU는 현재 작업을 일시 중지하고 인터럽트 신호를 인식합니다.
인터럽트 벡터 테이블 조회: CPU는 인터럽트 벡터 테이블에서 해당 인터럽트 번호에 맞는 ISR의 주소를 조회합니다.
ISR 실행: CPU는 ISR로 점프하여 인터럽트를 처리합니다.
ISR 완료: 인터럽트 처리가 완료되면 CPU는 중단된 작업으로 돌아가 계속 실행합니다.
가상 시나리오
가상 시나리오를 통해 시스템 호출과 인터럽트를 이해해보겠습니다. 이 시나리오는 파일 시스템에서 파일을 읽는 과정과 키보드 입력을 처리하는 과정을 다룹니다.
시나리오 1: 파일 읽기
사용자가 텍스트 편집기에서 파일을 열려고 합니다.
텍스트 편집기는 파일을 읽기 위해 시스템 호출을 수행합니다.
커널은 파일 시스템에서 파일을 읽고, 데이터를 응용 프로그램에 반환합니다.
시나리오 2: 키보드 입력 처리
사용자가 키보드를 눌러 텍스트를 입력합니다.
키보드 장치는 하드웨어 인터럽트를 발생시켜 CPU에 입력 신호를 보냅니다.
커널은 인터럽트를 처리하고, 입력된 키 값을 응용 프로그램에 전달합니다.
예시 코드
시나리오 1: 파일 읽기 (Java)
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
public class FileReadExample {
public static void main(String[] args) {
try {
// 파일 읽기 시스템 호출
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("example.txt");
byte[] data = new byte[1024];
int bytesRead = fileInputStream.read(data);
fileInputStream.close();
// 읽은 데이터 출력
String fileContent = new String(data, 0, bytesRead);
System.out.println("파일 내용: " + fileContent);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}시나리오 2: 키보드 입력 처리 (Java)
import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
public class KeyboardInputExample {
public static void main(String[] args) {
try {
System.out.println("키보드를 통해 입력하세요:");
// 키보드 입력 읽기
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
String input = reader.readLine();
// 입력된 내용 출력
System.out.println("입력된 내용: " + input);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}결론
운영체제의 커널은 시스템 자원을 효율적으로 관리하고, 응용 프로그램과 하드웨어 간의 상호작용을 중재하는 중요한 역할을 합니다. 시스템 호출과 인터럽트는 이러한 상호작용을 가능하게 하는 주요 메커니즘입니다. 시스템 호출은 응용 프로그램이 커널의 기능을 요청하는 방법이고, 인터럽트는 하드웨어나 소프트웨어 이벤트가 발생했을 때 커널이 즉각적으로 대응할 수 있도록 합니다. 이를 통해 운영체제는 시스템의 안정성과 효율성을 유지합니다.