운영체제: 이중모드 및 하드웨어 보호

운영체제를 이용하는 모든 사용자가 별도의 권한을 확인하지 않고, 파일을 저장할 수 있다면 어떻게 될까?
악의적인 프로그램을 실행할 경우 타인의 저장공간을 침범하여 데이터를 손실시킬 수 있는 상황이 발생할 수 도 있다.
또한, 운영체제를 종료하는 명령어와 같은 실행시 치명적인 명령어를 사용할 경우도 비슷한 상황이 발생한다.

Dual Mode

Figure 1. 게임에서 디스크에 새로운 데이터를 저장해야하는 상황

운영체제는 특권 명령(Privileged Instructions)을 지정하고 일반 사용자는 사용하지 못하게 막았다. Applications에서 특권 명령 사용이 필요할 경우 인터럽트를 발생시켜 kernel mode에 진입 후, 운영체제를 통해 처리하고자 하는 작업을 처리한다.

(특권 명령이 사용 가능한 kernel mode와 반대인 user mode는 CPU 레지스터에 모드를 나태는 플래그를 통해 구분한다.)

 

그림 1은 게임에서 디스크에 새로운 데이터 저장이 필요한 상황이다. 특권 명령은 Kernel mode에서만 실행될 수 있으므로 다음과 같은 방식으로 처리한다.

1. a의 경우는 디스크에 데이터를 저장하기 위한 특권 명령이 필요하므로 인터럽트를 발생시켜 kernel mode로 변경하고 kernel에 진입한다.

2. b의 경우 kernel mode이므로  디스크에 게임으로 부터 요청된 데이터를 저장한다.

3. kernel의 작업이 끝나면, 다시 user mode로 돌아와 작업을 진행한다.

이와 같이 특권 명령이 필요한 경우 앞의 1-3과 같은 과정을 반복하며 kernel ↔ user mode를 변경하게 된다.

 

H/W Protection

다수의 사용자가 사용할 수 있는 상황에서 동시에 하드웨어를 사용하거나, 혼선이 발생할 경우 데이터 손실이 발생하거나 치명적인 오류가 발생할 수 있다. 이에 운영체제는 입출력장치, 메모리, CPU에 대해 사용자들 간의 간섭이 발생하지 않도록 한다.

입출력 장치 보호

입출력은 특권명령으로 분류하여, 각 프로그램 별로 입출력 요청을 진행할 수 없다.
따라서, 인터럽트를 발생시켜 운영체제에서 처리하게 하므로 다른 사용자의 영역을 침범할 수 없다.

 

메모리 보호

프로그램에 할당된 메모리 영역 외에 다른 영역 (다른 사용자 메모리 영역, 운영체제 메모리 영역)을 접근하는 것을 막는다. 이는 MMU(Memory Management Unit)을 통해 관리한다.

CPU 보호

한 사용자로 부터 실행된 특정 프로그램 CPU를 독점하는 경우가 있을 수 있다.
따라서 타이머 인터럽트를 통해, 다른 프로그램이 실행될 수 있도록 보장한다.