System Call은 무엇이고 무엇을 위해 쓰일까?

Posted Jun 15, 2022

8 min read

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

우선 System Call을 알아보기 전에 사용자 모드와 커널 모드에 대해 먼저 알아보자

사용자 모드에서 실행되는 코드는 할 수 있는 일이 제한된다.
- 예를 들어 프로세스가 사용자 모드에서 실행 중이면 디스크 입출력 요청을 할 수 없도록 설정한다.
커널 모드는 사용자 모드와 대비되는 모드로서 운영체제의 중요한 코드들이 실행된다.
- 이 모드에서 실행되는 코드는 모든 특수한 명령어를 포함하여 원하는 모든 작업을 수행할 수 있다.
이 때 사용자 프로세스가 디스크를 읽기와 같은 특수 명령어를 실행해야 한다면 이런 제한 작업의 실행을 허용하기 위해 시스템 콜을 사용한다.

System Call은 OS가 커널에 접근하기위한 인터페이스이며 유저프로그램이 운영체제의 서비스를 받기위해 커널 함수를 호출할때 쓰게되는 기능을 한다
유저 어플리케이션은 유저 모드에서 시스템콜 인터페이스를 호출하면 시스템콜은 커널모드에서 하드웨어에 접근하여 작업 후 어플리케이션에 반환한다.
예시
1 2 cp a.txt b.txt (a.txt 를 b.txt에 복사한다)
- 위의 경우 modebit(사용자모드인지 커널모드인지 알리는 flag)가 커널모드로 설정되고 커널모드로 들어가서 파일을 복사하고 다시 유저모드로 돌아가 로직을 마저 실행하게 된다

CPU가 현재 어떤 모드(유저 모드 또는 커널 모드)에서 실행되고 있는지 나타내는 비트이다.
모드 비트가 1(커널 모드)이면 CPU는 모든 메모리 영역에 접근 가능하고 모드 비트가 0(유저 모드)이면 CPU는 일부 메모리 영역에만 접근할 수 있다. 유저 모드에서는 커널 메모리에 직접 접근할 수 없으며, 자신의 주소 공간만 접근할 수 있다.
이 비트는 CPU의 제어 레지스터에 저장되어 있다.

CPU와 메모리 사이에 MMU (Memory Management Unit)는 CPU에서 메모리로 가는 address 정보를 조사한다.
조사에 통과하면 Instruction Fetch 즉 instruction을 가져온다. instruction의 구조는 op-code와 operands로 구성된다. op-code를 통해 어떤 연산인지 확인한다.
- Opcode (명령어 코드): 명령어의 일부로, 어떤 연산이 수행되어야 하는지를 나타내는 부분. Opcode를 통해 CPU는 어떤 동작을 수행해야 하는지 인식한다.
Opcode 확인 후 만약 privileged op-code(I/O와 같은 중요한 역할을 하는 실행)을 시도하려 할 때 현재 실행 중인 코드가 특권 모드에서 실행 중인지 확인한다.
- 만약 사용자 모드(유저 모드)에서 특권 명령어를 실행하려고 시도하면, CPU는 그것을 감지하고 해당 명령어 실행을 거부한다.
- CPU가 운영 체제 커널 모드로 전환되는 경우, 특권 명령어를 실행할 수 있다.

시스템 콜을 실행하기 위해 프로그램은 특정 레지스터에 시스템 콜 번호를 설정하고, trap 특수 명령어(예: INT 0x80 또는 SYSENTER)를 실행하고 이 명령어는 커널 안으로 분기하는 동시에 특권 수준을 커널 모드로 상향 조정한다.
커널 모드로 진입하면 운영체제는 인터럽트 처리 루틴 또는 시스템 콜 핸들러로 분기하며, 시스템 콜 번호를 확인하여 어떤 작업을 수행할지 결정한다. 이때, 커널은 특권 수준을 가짐으로써 보안 및 시스템 자원 관리를 수행할 수 있다.
운영체제가 시스템 콜을 처리한 후, 결과를 적절한 레지스터나 메모리 위치에 저장하고, treturn-from-trap (또는 특정한 리턴 명령어)를 통해 다시 사용자 모드로 전환한다. 이 과정에서 커널 모드의 특권 수준이 사용자 모드로 다시 하향 조정된다.

파일 입출력: 파일을 열고 읽고 쓰는 작업과 관련된 시스템 콜은 응용 프로그램이 파일 시스템과 상호작용할 수 있도록 한다. (예: read, write)
프로세스 관리: 프로세스 생성, 종료, 스케줄링, 프로세스 간 통신 등과 관련된 시스템 콜은 응용 프로그램이 프로세스를 관리하고 운영 체제 리소스를 활용할 수 있게 한다. (예: fork, exec)
메모리 관리: 메모리 할당 및 해제와 관련된 시스템 콜은 응용 프로그램이 메모리를 효율적으로 사용할 수 있도록 한다. (예: malloc, free)
네트워크 통신: 네트워크 소켓 생성, 데이터 송수신, 네트워크 연결 관리 등과 관련된 시스템 콜은 네트워크 통신을 가능하게 한다.
하드웨어 접근: 하드웨어와 상호작용하는 작업에 사용되는 시스템 콜도 있다.

This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.

Trending Tags