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PCB와 컨텍스트 스위치

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스터디 Stacked-Book에서 실습과 그림으로 배우는 리눅스 구조 책을 참고하여 학습 후 정리한 글입니다.

PCB와 컨텍스트 스위치

PCB

PCB

  • CPU 에서는 프로세스의 상태에 따라 교체 작업(컨텍스트 스위칭)이 이루어진다.
  • 운영체제가 CPU 코어의 현재 작업 흐름을 뺏을때마다 인터럽트가 발생한다.
  • 인터럽트가 발생해서 할당받은 프로세스가 Block 상태가 되고, 다른 프로세스를 running 으로 바꿀 때 다시 수행할 Block 상태의 프로세스의 상태값을 PCB에 저장하는 것이다.

PCB의 구성 요소

PCB 구성 요소

  • Pointer : 프로세스 상태 중에 준비 상태나 대기 상태의 큐를 구현하기 위해 필요한 포인터
  • Process State : 프로세스의 준비, 대기, 실행 등의 상태
  • Process Number(PID) : 프로세스 고유 번호
  • Program Counter : 해당 프로세스가 이어서 실행해야 할 명령의 주소 값
  • CPU registers : 프로세스가 인터럽트 이후 올바르게 작업을 이어가기 위해 상태 정보를 저장하는 곳.
  • CPU-scheduling information: 프로세스의 중요도, 스케줄링 큐 포인터 등 스케줄링 파라미터 정보.
  • Memory-management information: base, limit 레지스터 값, 페이지 테이블 등 메모리 시스템 정보.
  • Accounting information: 사용된 CPU 총량, 프로세스 개수, 시간 제한 등.
  • I/O status information: 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록, 열린 파일 목록 등.

PCB 관리 방식

  • PCB는 LinkedList로 관리가 된다.
  • PCB List Head에 PCB들이 생성될 때마다 붙게 된다.
  • 주소 값으로 연결이 이루어져 있는 연결 리스트 형태로 삽입 삭제가 용이하다.

컨텍스트 스위치

컨텍스트 스위치

  • 어떤 하나의 프로세스를 실행하고 있는 상태에서 인터럽트 요청에 의해 다음 우선 순위의 프로세스가 실행되어야 할 때 기존의 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)을 저장하고 CPU가 다음 프로세스를 수행하도록 새로운 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)를 교체하는 작업을 컨텍스트 스위치라고 한다.
  • 컨텍스트 스위치가 진행될동안 시스템이 아무론 유용한 일을 못하기 때문에, 순수한 오버헤드라고 볼 수있으며 교환 속도는 메모리의 속도, 복사 되어야 하는 레지스터의 수, 특수 명령어 등에 좌우되기 떄문에 기계마다 다르다.

컨텍스트 스위치가 일어나는 상황

  1. I/O interrupt
  2. CPU 사용시간 만료
  3. 자식 프로세스 Fork
  4. 인터럽트 처리를 기다릴 때

CPU의 PC, 레지스터

  • PCB 구성 요소 중 CPU registers에 대해서 좀 더 알아보자.

CPU 레지스터란?

  • 중앙처리장치(CPU) 내에 위치한 기억장치
  • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달하게 된다.

CPU 레지스터 종류

  • PC (Program Counter) : 다음 인출(Fetch) 될 명령어의 주소를 가지고 있어 실행할 기계어 코드의 위치를 지정한다. 때문에 명령어 포인터라고도 한다.
  • AC (Accumulator) : 연산 결과 데이터를 일시적으로 저장하는 레지스터
  • IR (Instruction Register) : 가장 최근에 인출된 명령어(현재 실행 중인 명령어)가 저장되어 있는 레지스터
  • SR (Status Register) : 현재 CPU 의 상태를 가지고 있는 레지스터
  • MAR (Memory Address Register) : PC 에 저장된 명령어 주소가 사용되기 전에 일시적으로 저장되는 주소 레지스터
  • MBR (Memory Buffer Register) : 기억장치에 저장될 데이터 혹은 읽혀진 데이터가 일시적으로 저장되는 버퍼 레지스터

헷갈리는 PCB의 PC와 CPU Register의 PC 정리하기

  • PCB(Process Control Block)와 CPU 레지스터의 “Program Counter(PC)”는 서로 다른 목적과 역할을 가지고 있다.
  • PCB (Process Control Block)의 Program Counter
    • 현재 실행 중인 프로세스의 실행 위치를 저장한다.
    • 즉, 해당 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 PCB에 저장한다
  • CPU 내의 Program Counter
    • 현재 실행 중인 프로세스의 다음 명령어 주소를 추적하는 역할을 한다.
    • CPU가 명령어를 실행할 때 사용되며, 다음에 어떤 명령어를 가져올지 결정한다.

CPU 내의 Program Counter는 실제 명령어 실행에 직접적으로 관여하며, 프로세스 전환이나 컨텍스트 스위치 시에는 PCB의 Program Counter로 값을 저장하거나 불러와서 CPU의 Program Counter를 업데이트하게 된다.

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