임베디드 스터디 - 자원관리자와 커널/사용자 모드 전환

커널 모드 / 사용자 모드

• CPU는 하드웨어 수준에서 두 가지 실행 모드를 제공

모드	접근 가능 범위	실행 주체
커널 모드	모든 하드웨어 자원에 직접 접근 가능	OS 커널
사용자 모드	제한된 명령어만 실행 가능	일반 프로세스

• 사용자 모드에서 하드웨어 직접 접근을 허용하면 일반 프로그램이 시스템 전체를 손상시킬 위험이 있음

커널 모드/사용자 모드 전환 (Trap)

• 사용자 모드 프로세스가 하드웨어 자원이 필요한 경우 커널에 요청 → 시스템 콜(System Call)
• 시스템 콜 호출 시 Trap 발생 → 커널 모드로 전환 → 처리 완료 후 사용자 모드로 복귀

사용자 프로세스 (사용자 모드)
        ↓ 시스템 콜 호출 (예: write())
Trap 발생 → 커널 모드로 전환
        ↓ 커널이 하드웨어에 직접 접근하여 처리
사용자 모드로 복귀
        ↓ 결과 반환
사용자 프로세스 (사용자 모드)

OS 자원관리자 (Resource Manager)

OS는 4가지 하드웨어 자원을 관리하는 자원관리자 역할을 함

CPU 자원 관리

• 여러 프로세스가 CPU를 공유할 수 있도록 CPU 시간을 쪼개어 번갈아 할당
• 이 행위를 스케줄링 이라고 함
• CPU가 물리적으로 하나여도 수십~수백 개의 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보임

메모리 자원 관리

• 격리 : 프로세스 간 메모리 침범 방지 → 각 프로세스에 가상 메모리 공간 제공
• 부족 문제 해결 : 물리 메모리가 부족할 때 스와핑 기법 사용

물리 메모리 (8GB)          디스크 (Swap 영역)
┌─────────────┐            ┌─────────────┐
│ 현재 사용 중  │  ←swap→   │ 미사용 페이지│
└─────────────┘            └─────────────┘

안 쓰는 페이지를 디스크로 밀어냄 → Swap Out
필요해지면 다시 불러옴          → Swap In

파일시스템 자원 관리

• 파일 저장·접근·권한 관리를 담당
• Linux 파일 권한은 Owner · Group · Others 3그룹으로 구분

-rwxr-xr--
│  │   │   └── Others : r-- (읽기만 가능)
│  │   └─────── Group : r-x (읽기·실행)
│  └─────────── Owner : rwx (읽기·쓰기·실행)
└────────────── 파일 타입

숫자 권한 표기 (chmod)

• r = 4(100), w = 2(010), x = 1 (001) 로 각각 2진수 한 비트에 대응

chmod 755
    7 = rwx (4+2+1) → Owner
    5 = r-x (4+0+1) → Group
    5 = r-x (4+0+1) → Other

I/O 자원 관리

• I/O 장치는 CPU보다 압도적으로 느림 → CPU가 I/O를 기다리며 멈추는 블로킹 상태 발생
• OS의 목표 : CPU가 I/O 대기 중에도 다른 작업을 수행할 수 있게 함

방법 1 : I/O 요청 후 CPU는 다른 프로세스 실행
         → I/O 완료되면 인터럽트로 CPU에 알림

방법 2 : DMA가 I/O 전송을 대신 처리
         → CPU는 완전히 손을 떼고 다른 작업 수행

비교 요약

자원	OS의 역할	핵심 기법
CPU	여러 프로세스에 시간 분배	스케줄링
메모리	격리 + 부족 문제 해결	가상 메모리, 스와핑
파일시스템	저장·접근·권한 관리	rwx 권한 체계
I/O	CPU 대기 시간 최소화	인터럽트, DMA