[Kernel of Linux] System Call

이 포스팅은 고건 교수님의 Kernel of Linux 강의를 보고 정리한 글입니다.
해당 강의는 olc에 공유돼 있으며 https://github.com/Bookstore3/Linux-Kernel-Lecture-Note 강의 노트를 통해 내용을 공부해도 좋습니다.
공부하면서 정리한 글이므로 좋은 조언도 함께 남겨주시면 매우 감사하겠습니다 :)

 

OS는 하드웨어 자원(CPU, Memory, Disk..)들을 관리하고 여러 프로그램들이 띄워질 수 있도록 지원하는 역할을 담당한다.

 

OS의 구성 요소

• 커널은 OS에서 항상 메모리에 상주해있는 일종의 C 프로그램이다.
• 유틸리티는 커널과는 반대되는 의미를 가지는데 OS의 디스크에 상주해있는 것으로 유저가 요청해야(=필요할 때만) 올라오게 된다. 즉 커맨드라고 부른다.
• 쉘은 유틸리티의 일종으로 프로그램이 올라오는 것을 교통 정리하는 역할을 담당한다. 쉘이 교통 정리한다는 의미는 사용자가 명령어를 입력하면 이를 OS에 전달하는데 언제 메모리에 올리고 내리고 이러한 모든 일들을 관리한다는 의미에서이다.
• 파일은 바이트들의 배열을 뜻한다. I/O 디바이스도 파일이다.

커널, 쉘, 유틸리티의 상관관계

• 부팅을 하면 제일 처음 커널이 올라온다.
• 사용자가 터미널을 접속하여 쉘이 메인 메모리에 올라오고 사용자의 커맨드를 대기한다.
• 사용자가 커맨드를 입력하면 쉘이 커맨드에 매핑된 유틸리티를 디스크에서 가져와서 실행한다. 

 

부팅 과정에 대해서 자세히 살펴보자면

• 전원 공급
  • 메인보드에서 Reset 벡터를 통해 CPU가 BIOS를 호출한다.
  • 전원이 공급되면서 메인보드에 있는 다양한 구성 요소들이 초기화되는데 이때 CPU도 초기화되면서 '리셋 벡터'라고 불리는 특정한 지점으로 이동해 지정된 명령어 실행을 시작한다.
  • CPU는 부팅 직후 Real Mode라는 매우 제한된 환경에서 작동하는데, 이 모드에서는 메모리의 1MB까지만 접근할 수 있다.  이때 1MB 영역의 마지막 주소는 0xFFFFFFFF 이다.
  • 전원이 들어온 직후 CPU는 EIP(Extended Instruction Pointer)라고 불리는 레지스터를 통해 0xFFFFFFF0이라는 주소로 점프하는데 바로 이 주소가 리셋 벡터이다.

• BIOS
  • BIOS 또는 UEFI는 하드 드라이브, SSD, USB 드라이브 등에서 부팅 가능한 장치를 선택한다. 일반적으로 하드 드라이브 또는 SSD에 있는 부트 로더로 이동한다.
• 부트 로더
  • 부트로더는 운영 체제를 시작하기 전에 실행되는 작은 프로그램으로, 하드웨어와 운영 체제 사이에서 다리 역할을 수행한다.
  • 부트로더의 기본 기능: 컴퓨터가 부팅되면, 부트로더는 하드 드라이브에서 운영 체제를 찾고, 이를 메모리로 불러와 실행할 준비를 하며 GRUB은 리눅스 시스템에서 가장 널리 사용되는 부트로더이다.
  • GRUB의 주요 작업: GRUB은 커널을 메모리로 로드하고, 그 후 시스템 제어권을 커널에 넘겨준다.
  • GRUB Stage 1
    • 위치: GRUB Stage 1은 하드 디스크의 MBR(마스터 부트 레코드) 또는 VBR(볼륨 부트 레코드)에 저장되어있다.
    • 역할: 컴퓨터가 켜지면 BIOS는 먼저 MBR을 읽고 여기에서 GRUB Stage 1을 실행한다. Stage 1은 매우 작고 단순한 코드로 다음 단계인 Stage 1.5로 넘어가는 역할을 수행한다.
  • GRUB Stage 1.5
    • 위치: Stage 1.5는 MBR과 하드 디스크의 첫 번째 파티션 사이에 있는 몇 개의 블록에 저장되어 있다.
    • 역할: Stage 1.5는 GRUB의 Stage 2를 로드하기 위해 필요한 파일 시스템 드라이버와 설정 파일을 준비한다. 이 단계에서 core.img라는 파일이 메모리에 로드되는데 이 파일은 다양한 파일 시스템을 읽을 수 있는 드라이버와 설정 정보를 포함하고 있다.
  • GRUP Stage 2 
    • 위치: Stage 2는 /boot/grub 디렉토리에 저장되어 있는 파일을 읽어들인다.
    • 역할: Stage 2는 리눅스 커널(예: vmlinuz)의 압축을 풀어서 메모리에 로드하고 초기 램디스크(initrd 또는 initramfs)를 로드한다. 이 램디스크에는 커널이 부팅하는 동안 필요한 드라이버와 모듈이 들어있는데 커널이 메모리에 완전히 로드되면, GRUB은 제어권을 커널로 넘긴다. 이후 커널이 시스템의 나머지 부팅 과정을 처리하게 된다.
• 커널 로드
  • 커널과 RAM 디스크 로드
    • 부트로더가 커널 파일(vmlinux-2.6.26-2-686)과 초기 RAM 디스크(initrd.img-2.6.26-2-686)를 메모리에 로드한다. RAM 디스크는 커널이 부팅 초기 단계에서 필요한 드라이버와 파일시스템을 포함한 임시 파일 시스템이다.
  • 커널 실행 및 하드웨어 점검
    • 커널이 메모리에서 실행되면 우선적으로 하드웨어를 점검하면서 시스템에 연결된 모든 장치가 올바르게 작동하는지 확인한다. 하드웨어 점검의 결과는 /var/log/dmesg 파일에 기록되며 이 파일에는 부팅 중에 발생한 모든 이벤트와 메시지가 저장된다.
  • 루트 파일 시스템 마운트
    • 커널은 루트 파일 시스템(/)을 읽기 전용으로 마운트한다. 이 단계가 실패하면 시스템이 계속 부팅되지 않고 "커널 패닉"이라는 크리티컬 에러 메시지를 출력한다. 커널 패닉은 시스템이 더 이상 진행할 수 없는 심각한 문제이다.
  • swapper 프로세스 (PID 0번)
    • 커널은 부팅 과정에서 swapper라는 첫 번째 프로세스(PID 0번)를 시작한다. swapper는 시스템의 장치 드라이버들을 초기화하고, 시스템의 전반적인 자원 관리를 담당하는 기본적인 작업을 수행한다. 이 과정이 끝나면 swapper는 init 프로세스(PID 1번)를 시작한다.
• Init
  • /sbin/init프로세스가 실행되면서 /etc/inittab파일을 읽어 순서에 따라 시스템을 초기화한다.

 

리눅스는 멀티 유저 시스템이므로 보안에 더욱 신경써야 하며 자원을 최소한 줄여서 써야 효율적으로 쓸 수 있다.

만약 다른 유저가 내가 사용하고 있는 프로세스를 read/write 하는 것을 대비하기 위해 사전 예방을 해야 한다.

이러한 상황을 예방하기 위해 사용자가 커널에게 I/O를 할 수 있도록 함수를 사용하여 부탁을 하는데 이 방식을 시스템 콜이라고 부르는 것이다.

 

유저 모드에서 I/O와 같은 중요 작업을 시도하려고 하면 CPU를 뺏겨 버린다. 그러면 우리는 어떻게 코드에서 printf를 통해 출력값을 도출할 수 있는 것인가?

실제로 우리가 코드에서 수행하는 내용은 소스 코드 자체에서만 수행되는 것이고 바이너리 파일에서도 직접적인 I/O 명령어가 없다.

 

• printf를 호출하면, 사용자 모드에서 실행 중인 프로그램은 CPU에 I/O 작업을 요청한다.
• 이 요청을 처리하기 위해, CPU는 모드 비트를 변경하고 사용자 프로그램의 제어권이 커널에게 넘어간다. (Trap 인터럽트 발생!)
• 커널은 write() 시스템 콜을 처리하고, 표준 출력(예: 터미널)에 데이터를 출력한다.
• 작업이 끝나면 CPU는 다시 사용자 모드로 전환된다.

 

즉 프로그램은 유저 모드와 커널 모드의 전환의 반복이라고 볼 수 있다!

함수가 호출되고 리턴되고..의 과정에서 지역 변수들을 미리 메모리에 담아두지 않고 임시로 메모리에 두고 삭제하는 구조로 저장하게 됐는데 이 때 사용하는 데이터 구조가 스택이다.

스택에는 지역변수와 돌아갈 주소도 함께 Push 되는데 프로그램은 유저 모드와 커널 모드를 전환하며 반복되므로 유저 스택, 커널 스택이 개별적으로 존재한다.

 

리눅스의 Man의 숫자의 의미

• 1 커맨드
• 2 시스템 콜
• 3 라이브러리 함수

 

printf("hello world")

멀티유저 시스템은 보호돼있기 때문에 유저단에서 출력이라는 행위를 직접적으로 할 수 없다.

모든 IO 라이브러리 함수들은 시스템콜을 해야하는데 이때 필요한 기능은 시스템 콜이다.

즉 System Call이란 User가 커널의 function을 호출하는 행동을 의미한다.

 

커널 안의 모든 함수는 이름이 sys

 

유저 모드 <-> 커널 모드간의 상호 작용이 활발한데 미리 메모리에 저장하는 구조는 상당히 비효율적이다.

따라서 메모리에 넣고 경우에 따라 삭제하기 편한 Stack 구조를 활용하는 것이다.

 

 

참고

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https://velog.io/@begoodlife/Linux-%EB%B6%80%ED%8C%85-%EA%B3%BC%EC%A0%95

Linux 부팅 과정

https://blog.naver.com/wndrlf2003/70180014401

임베디드 14주차(1)( 부트로더, 리셋벡터, 커널이미지 실행과정 및 종류)