프로세서는 두 가지 모드로 돈다. 사용자 프로그램은 제한된 사용자 모드로, 운영체제는 모든 것을 할 수 있는 커널 모드로 실행된다. 은행 창구와 금고실에 비유할 수 있다. 손님은 창구에서 요청만 하고, 금고는 직원만 연다. 덕분에 한 프로그램의 실수나 악의가 운영체제와 다른 프로그램을 망가뜨리지 못한다. 대신 모드를 오갈 때마다 시간이 든다.
예시로 보기
단순 배치 시스템에서는 모니터(초기 운영체제)와 사용자 프로그램이 같은 메모리에 함께 있다. 사용자 프로그램에 버그가 있어 모니터가 있는 주소에 값을 써 버리면 다음 작업을 실행할 프로그램이 사라진다. 사용자 프로그램이 무한 반복에 빠지면 모니터는 영영 프로세서를 되찾지 못한다. 사용자 프로그램이 입출력 장치를 직접 다루면 다음 작업의 작업 제어 지시까지 실수로 읽어 버릴 수 있다.
이 세 가지를 막으려고 하드웨어에 넣은 기능이 아래 네 가지다. 그리고 그중 두 가지(메모리 보호, 특권 명령어)를 묶는 장치가 실행 모드다.
정확히 말하면
하드웨어에 필요한 기능
| 기능 | 막는 것 |
|---|---|
| 메모리 보호 | 사용자 프로그램이 모니터의 메모리 영역을 바꾸지 못한다. 시도하면 하드웨어가 오류를 감지하고 모니터로 넘긴다. 모니터는 그 작업을 끝내고 다음 작업을 싣는다 |
| 타이머 | 한 작업이 시스템을 독차지하지 못한다. 작업이 시작될 때 타이머를 맞추고, 다 되면 사용자 프로그램을 멈추고 모니터로 돌아간다 |
| 특권 명령어 | 일부 기계어 명령어(예: 입출력 명령어)는 모니터만 실행할 수 있다. 사용자 프로그램이 실행하려 하면 오류로 모니터에 넘어간다 |
| 인터럽트 | 모니터가 프로세서를 넘겼다가 되찾을 수 있게 한다. 초기 모델에는 없었다 |
두 모드
| 사용자 모드 | 커널 모드 | |
|---|---|---|
| 누가 | 사용자 프로그램 | 모니터(운영체제). 시스템 모드라고도 부른다 |
| 메모리 | 보호된 영역에는 접근할 수 없다 | 모든 메모리에 접근할 수 있다 |
| 명령어 | 특권 명령어를 실행할 수 없다 | 특권 명령어를 실행할 수 있다 |
지금 어느 모드인지는 프로세서의 PSW 안의 비트 하나가 나타낸다.
stateDiagram-v2
사용자모드: 사용자 모드 (응용 프로그램)
커널모드: 커널 모드 (운영체제)
사용자모드 --> 커널모드: 인터럽트, 오류, 시스템 서비스 요청
커널모드 --> 사용자모드: 운영체제가 사용자 프로그램에 프로세서를 돌려줌
사용자 프로그램이 스스로 커널 모드로 바꿀 수 있다면 보호가 의미 없다. 그래서 사용자 모드에서 커널 모드로 가는 길은 인터럽트나 오류, 운영체제에 서비스를 요청하는 정해진 입구뿐이고, 그 순간 실행되는 코드는 사용자 코드가 아니라 운영체제 코드다.
활용
- 4장에서 커널 수준 스레드의 단점으로 “같은 프로세스 안에서 스레드를 바꿀 때도 커널로 모드 전환이 필요하다”가 나온다. 모드를 오가는 비용이 그 이유다 → 사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드
- 마이크로커널은 커널 모드에서 도는 코드를 최소로 줄이고 나머지를 사용자 모드 서버로 뺀다 → 마이크로커널
- Windows는 실행부(Executive), 커널, 장치 드라이버, 하드웨어 추상화 계층을 커널 모드에서, 나머지를 사용자 모드에서 실행한다.
연결
확인 문제
C1 단순 배치 시스템에 필요한 하드웨어 기능 네 가지를 쓰라.
답: 메모리 보호, 타이머, 특권 명령어, 인터럽트.
C2 타이머가 없으면 메모리 보호와 특권 명령어가 있어도 막지 못하는 문제는?
답: 한 작업이 프로세서를 독차지하는 문제. 무한 반복에 빠진 프로그램은 금지된 메모리나 명령어를 건드리지 않으므로 오류가 나지 않는다. 그러면 모니터로 돌아갈 계기가 없다. 타이머가 울려야 강제로 모니터로 돌아온다.
C3 “모드 비트를 바꾸는 명령어”가 특권 명령어가 아니라면 어떤 일이 생기는지 구체적인 순서로 보여라.
답: ① 사용자 프로그램이 그 명령어로 커널 모드로 바꾼다. ② 이제 특권 명령어와 모든 메모리를 쓸 수 있으므로 운영체제 영역을 덮어쓰거나 다른 사용자의 데이터를 읽는다. 보호 장치 전체가 한 명령어로 무력화된다. 그래서 모드를 바꾸는 일은 커널 모드에서만, 또는 인터럽트처럼 운영체제 코드로 넘어가는 길로만 가능해야 한다.