CPU 모드는 중앙처리장치가 작동하는 방식을 의미합니다. CPU는 사용자의 명령을 처리하고 데이터를 다루는 핵심 장치이므로, 모드에 따라 작업이 처리되는 속도와 방법이 달라집니다. CPU 모드에는 사용자 모드와 커널 모드 두 가지가 있는데, 사용자 모드는 일반적인 작업을 수행하며 시스템 자원에 직접적인 접근을 제한받는 반면, 커널 모드는 운영체제와의 상호작용을 허용하고 시스템 자원에 직접 접근할 수 있는 권한을 가지고 있습니다. CPU 모드는 처리 속도와 보안성을 조절하는 중요한 요소이므로, 파악하고 적절히 활용하는 것이 중요합니다.
아래 글에서 자세하게 알아봅시다.
운영체제가 CPU를 제어하는 방식
사용자 모드
CPU의 사용자 모드는 일반 프로그램이 동작하는 모드로, 사용자가 직접 구현한 응용 프로그램들이 이 모드에서 실행됩니다. 사용자 모드에서는 프로그램의 작업을 처리하고 화면에 결과를 출력할 수 있지만, 운영체제나 다른 시스템 자원에는 직접적인 접근을 할 수 없습니다. 이렇게 시스템 자원에 직접 접근할 수 없는 이유는 보안 및 안정성을 유지하기 위해서입니다.
사용자 모드에서는 프로그램이 실행되고 있는 동안에도 운영체제의 작동은 계속되기 때문에, 여러 개의 프로그램들이 동시에 실행되면 운영체제가 이를 관리하기 위해 프로그램들 간에 할당된 시간을 분할하여 실행됩니다. 이렇게 CPU의 시간을 분할하여 여러 프로그램이 동시에 실행되도록 하는 것을 시분할 시스템이라고 부릅니다.
커널 모드
CPU의 커널 모드는 운영체제와 직접적으로 상호작용하며 시스템 자원에 직접 접근하는 모드입니다. 커널 모드는 시스템을 제어하고 운영체제의 작동을 감독합니다. 예를 들어, 디스크에 데이터를 쓰거나 메모리에 데이터를 읽고 쓰는 작업, 프로세스 생성과 삭제, 입출력 디바이스의 제어와 같은 작업들은 커널 모드에서 실행됩니다.
커널 모드에서는 시스템 자원에 직접 접근할 수 있기 때문에, 안전성과 보안에 민감한 작업들을 수행할 때 사용됩니다. 이 모드로 전환하기 위해서는 특권 명령어(privileged instruction)를 사용해야 하며, 이 명령어는 사용자 모드에서는 실행할 수 없습니다.
CPU Modes
사용자 모드와 커널 모드의 전환
시스템 호출
사용자 모드에서 운영체제의 기능을 사용하기 위해서는 커널 모드로 전환하는 과정이 필요합니다. 이를 가능하게 하는 방법 중 하나가 시스템 호출(System Call)입니다. 시스템 호출은 사용자 프로그램이 커널에게 특정 작업을 수행해 달라고 요청하는 인터페이스입니다.
사용자 프로그램은 시스템 호출을 통해 운영체제의 기능을 사용할 수 있으며, 시스템 호출이 발생하면 CPU는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환됩니다. 커널 모드에서 요청된 작업이 처리된 후, CPU는 다시 사용자 모드로 전환됩니다.
인터럽트
또 다른 방법으로는 인터럽트(Interrupt)가 있습니다. 인터럽트는 예외 상황이 발생했을 때 또는 입출력 작업이 완료되었을 때 CPU에게 알려주는 신호입니다. 인터럽트가 발생하면 현재 실행 중인 명령어의 실행이 중단되고, 해당 인터럽트를 처리하기 위해 운영체제의 코드가 실행됩니다. 이 때 CPU는 바로 커널 모드로 전환됩니다.
인터럽트가 발생할 수 있는 상황은 여러 가지가 있습니다. 예를 들어, 사용자가 키보드를 입력하거나 마우스를 클릭하는 등의 동작을 할 때 인터럽트가 발생하여 운영체제가 이를 감지하고 처리할 수 있습니다. 인터럽트를 통해 운영체제는 CPU의 시간을 비교적 짧은 주기로 확인하면서 시스템의 상태를 모니터링하고 필요한 처리를 수행합니다.
CPU 모드의 활용
보안과 안정성
CPU 모드는 시스템의 보안과 안정성을 유지하기 위해 중요한 역할을 담당합니다. 사용자 모드에서는 시스템 자원에 직접 접근할 수 없기 때문에 악성 코드가 시스템 자원에 훼손을 가하는 것을 막을 수 있습니다. 커널 모드에서는 운영체제가 시스템 자원을 보안있게 관리하고, 각각의 프로그램이 무분별한 작업을 수행하지 못하도록 제한함으로써 시스템의 안정성을 유지할 수 있습니다.
성능과 처리 속도
시스템 호출이나 인터럽트 발생시 사용자 모드에서 커널 모드로 전환하는데에는 어느정도의 오버헤드가 발생합니다. 따라서 너무 자주 전환되면 처리 속도가 저하될 수 있습니다. 따라서 운영체제 설계 시에는 CPU 모드의 전환 빈도를 적절하게 조절하여 성능과 처리 속도를 최적화하는 것이 중요합니다.
마치며
운영체제의 중요한 역할 중 하나는 CPU를 제어하는 것입니다. 이를 위해 사용자 모드와 커널 모드로 CPU를 전환하여 프로그램의 실행과 운영체제의 작동을 조절합니다. 사용자 모드에서는 프로그램이 실행될 때, 커널 모드에서는 운영체제가 시스템 자원을 제어하고 관리합니다. CPU 모드의 전환은 시스템 호출이나 인터럽트를 통해 일어나고, 이를 통해 운영체제와 프로그램이 상호작용할 수 있습니다. CPU 모드는 시스템의 보안과 안정성, 성능과 처리 속도를 유지하기 위해 중요한 역할을 합니다.
추가로 알면 도움되는 정보
1. 시분할 시스템은 여러 개의 프로그램들이 동시에 실행되도록 CPU의 시간을 분할하는 방식입니다.
2. 시스템 호출은 사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 사용하기 위해 커널 모드로 전환하는 방법 중 하나입니다.
3. 인터럽트는 예외 상황이나 입출력 작업 완료와 같은 이벤트가 발생했을 때 CPU에게 알리는 신호입니다.
4. CPU 모드의 전환이 자주 발생하면 처리 속도가 저하될 수 있으므로, 적절한 전환이 필요합니다.
5. CPU 모드는 시스템의 보안과 안정성을 유지하고 성능과 처리 속도를 최적화하기 위해 중요한 역할을 합니다.
놓칠 수 있는 내용 정리
– CPU 모드는 운영체제와 프로그램 사이의 상호작용을 조절하는 중요한 요소입니다. 사용자 모드에서 프로그램이 실행되고 화면에 결과를 출력하며, 커널 모드에서 운영체제가 시스템 자원을 제어하고 관리합니다.