리눅스 커널의 이해(2): 리눅스 커널의 동작

저자: 서민우
출처: Embedded World

1. 리눅스 커널의 기본적인 동작

이제 리눅스 커널이 어떻게 동작하는지 들여다 보자.
리눅스 커널은 그 소스량은 엄청나지만 역시 커널의 기본적인 동작은 우리가 지금까지 보아온 커널의 동작과 별로 다르지 않다. 덧붙이자면 다른 RTOS도 역시 마찬가지다. 

system call에 의해 시작하는 리눅스 커널의 일반적인 동작

[그림 1]은 system call에 의해 시작하는 리눅스 커널의 일반적인 동작이다.



[그림 1] system call에 의한 리눅스 커널의 일반적인 동작


[그림 1]에서 커널은 process의 system call에 의해 수행을 시작한다. 먼저 커널의 시작 부분에서는 현재 process의 사용자 영역에서의 register의 내용을 stack상에 저장한다. 다음은 커널에서 사용자 영역으로 빠져 나가기 바로 전에 커널의 시작 부분에서 stack상에 저장한 register의 내용을 다시 복구한다. sys_func(), sys_func()내의 schedule(), sys_func()를 수행하고 난 후에 수행하는 schedule()의 역할은 전 월호의 [그림 5]에서 이미 설명했다. 리눅스 커널에서는 어떤 process에서 또 다른 process로, 또는 interrupt handler에서 process로 signal을 보낼 수 있으며, do_signal()에서는 커널영역에서 사용자 영역으로 빠져 나가기 전에 현재 process에 도착한 signal이 있는지를 검사하고 도착한 signal이 있으면 적절히 처리하는 부분이다. 마지막으로 a와 b사이에서는 기본적으로 hardware interrupt를 허용하며, 이 구간에서 발생하는 hardware interrupt를 일반적으로 nested interrupt라 한다. nested interrupt에 의해 수행을 시작하는 커널을 우리는 nested interrupt routine이라고 하며, 일반적으로 nested interrupt routine에 의해 커널의 흐름은 상당히 복잡해지며, 여러 가지 동기화 문제가 발생한다. nested interrupt routine에 의해 발생하는 이러한 문제점과 그에 대한 해결책은 다음 기사에서 자세히 다루기로 하겠다.

hardware interrupt에 의해 시작하는 리눅스 커널의 일반적인 동작

[그림 2]는 hardware interrupt에 의해 시작하는 리눅스 커널의 일반적인 동작이다.



[그림 2] hardware interrupt에 의한 리눅스 커널의 일반적인 동작


[그림 2]에서 커널은 hardware interrupt에 의해서 수행을 시작한다. 리눅스 커널에서는 top_half()와 bottom_half()를 do_IRQ()라는 함수 내에서 차례로 수행한다. 다른 부분의 역할은 이미 전 월호의 [그림 2]와 앞의 [그림 1]에서 설명하였다. 한가지 짚고 넘어갈 점은 a와 b사이에서는 기본적으로 hardware interrupt를 허용한다. 따라서 이 구간에서도 역시 nested interrupt가 발생할 수 있다. 

2. nested interrupt와 리눅스 커널의 동작

[그림 1]과 [그림 2]에서 우리는 리눅스 커널내에서 nested interrupt가 발생할 수 있는 영역을 보았다(각각 a와 b사이의 구간). nested interrupt에 의해 커널의 동작이 어떻게 바뀌는지 보기 전에 먼저 몇 가지 짚고 넘어갈 사항이 있다. 

리눅스 커널내에서 각 영역의 속성과 우선 순위

[그림 1]에서 sys_func()은 커널이 process의 요청에 의해 수행하는 부분으로 process와 직접적으로 관련된 함수이다. do_signal()도 process와 직접적으로 관련된 함수이다. schedule() 역시, 새로 수행할 process를 runqueue로부터 뽑고(리눅스 커널에서는 ready queue를 runqueue라고 한다), 현재 process의 커널 영역에서의 register의 내용을 메모리에 저장하고, 새로 수행할 process의 커널 영역에서의 register의 내용을 메모리로부터 복구하는, process와 간접적으로 관련된 함수이다. save register와 restore registerprocess의 사용자 영역에서의 register의 내용을 메모리에 저장하고, 사용자 영역에서의 register의 내용을 메모리로부터 복구하는 동작으로 process와 관련된 부분이다. 

[그림 2]에서 do_IRQ()는 커널이 device로부터 들어온 요청을 처리하는 부분이다. 그 중에 top_half()는, 예를 들어 device를 접근하는 등의, 시간상으로 신속히 처리해야 할 부분이며, bottom_half()는, 예를 들어 device로부터 메모리로 읽어온 data(top_half()에서 device로부터 메모리로 가져온)를 처리하는 등의, top_half()에 비해 비교적 천천히 처리해도 되는 부분이다. 나머지 schedule(), do_signal(), save register, restore register는 앞의 경우처럼 process와 관련된 부분이다. 

이상에서 리눅스 커널 영역은 논리적으로 다음과 같이 세 부분으로 나눌 수 있다. 

device와 직접적으로 관련된 top_half() 부분 
device와 간접적으로 관련된 bottom_half() 부분
process와 직접적으로 또는 간접적으로 관련된 
schedule(), sys_func(), do_signal(), save register, restore register 부분

처음에 리눅스 커널을 설계하는 과정에서 top_half(), bottom_half(), process와 관련된 함수들 순으로 우선 순위를 주었다. 우선 순위에 따라 커널 영역을 빨강, 녹색, 파랑으로 표시할 경우 [그림 3]과 같다. [그림 3]에서 save register와 restore register는 process와 관련된 부분이기는 하지만 nested interrupt가 발생할 수 없는 영역이므로 여기서는 색깔로 표시하지 않았다. 



[그림 3] 리눅스 커널내에서 각 영역의 우선 순위


그러면 지금부터 nested interrupt에 의해 커널이 수행해야 할 동작이 어떻게 바뀌어야 할지 생각해 보기로 하자. 참고로 [그림 3]에서 커널 영역 중 색깔이 없는 부분에서는 interrupt를 허용하지 않는다고 가정하자. 

top_half()와 nested interrupt routine

먼저 top_half() 부분에서 interrupt가 발생했을 경우를 생각해 보자. 리눅스 커널에서는 top_half() 부분에서 interrupt handler에 따라 interrupt를 막을 수도 있고 열어 놓을 수도 있다. 이 부분에서 interrupt를 열어 놓아 interrupt가 발생하였을 경우에 리눅스 커널은 [그림 4]와 같이 동작해야 한다. 



[그림 4] top_half()와 nested interrupt routine


[그림 4]에서 A와 B의 우선순위는 같다 하더라도 A에서 interrupt를 허용하였기 때문에 A를 수행하는 중이라도 B는 수행이 될 수 있다. 그러나, C, D, E는 A보다 우선순위가 낮기 때문에 수행하지 않고 나가는 것이 논리적으로 맞다. 그럼 리눅스 커널은 C, D, E를 수행하지 않는가? 그건 아니다. C의 경우 F를 수행할 때 함께 처리한다. D의 경우는 B나 C에서 schedule을 요청할 경우 수행하는 부분으로 G에서 처리하면 된다. E의 경우는 현재 process에게 도착한 signal을 처리하는 부분이며, H와 중복된다. 따라서 H에서 처리하면 된다. 

bottom_half()와 nested interrupt routine

다음은 bottom_half()에서 interrupt가 발생했을 경우를 생각해 보자. 앞에서 bottom half()에서는 기본적으로 interrupt가 열려 있다고 말한 바 있다. 이 부분에서 interrupt가 들어올 경우 커널은 [그림 5]와 같이 동작해야 한다. [그림 5]에서 B의 우선 순위는 F의 우선 순위보다 크다. 따라서, F를 수행하는 도중이라도 B를 수행할 수 있다. C의 경우는 F와 우선 순위가 같으므로 B 다음에 바로 처리하지 않고, F를 처리한 후에, F를 다시 수행하여 C를 처리한다. D, E에 대한 처리는 [그림 4]에서 이미 설명하였다. 



[그림 5] bottom_half()와 nested interrupt routine


schedule()과 nested interrupt routine

다음은 schedule()을 수행하는 중에 interrupt가 발생했을 경우를 생각해 보자. 이 부분에서 interrupt가 들어올 경우 리눅스 커널은 [그림 6]과 같이 동작해야 한다. 



[그림 6] schedule()과 nested interrupt routine


[그림 6]에서 A는 process와 관련된 부분으로 B와 C보다 우선순위가 낮다. 따라서 A를 수행하는 중이라도 커널은 B와 C를 당연히 수행해야 한다. D는 A와 같은 부분으로 A와 우선 순위가 같다. 따라서 A를 수행하고 나서, A를 다시 한 번 더 수행하면 된다. 즉 nested interrupt routine에서는 D를 수행할 필요가 없다. E는 앞에서 설명한 것처럼 H와 중복되므로 수행할 필요가 없다. 

do_signal()과 nested interrupt routine 그리고 커널 preemption

다음은 do_signal()을 수행하는 중에 interrupt가 발생했을 경우를 생각해 보자. 이 부분에서 interrupt가 들어올 경우 리눅스 커널은 [그림 7]과 같이 동작하도록 설계되었다.



[그림 7] do_signal()과 nested interrupt routine


[그림 7]에서 A는 process와 관련된 부분으로 B와 C보다 우선순위가 낮다. 따라서 A를 수행하는 중이라도 커널은 당연히 B와 C를 수행해야 한다. B나 C에서 wait queue에 있던 process를 runqueue에 넣고, runqueue에 새로 들어간 process가 현재 process보다 우선 순위가 클 경우 process scheduling을 요청할 수 있다. 그러면 커널은 D를 수행하며 A를 수행중이었더라도 다른 process로 전환이 일어나게 된다. 이는 A가 커널의 한 영역이라도 process와 관련된 부분이므로, A와 관련된 현재 process보다 우선 순위가 큰 process가 B나 C에서 runqueue로 들어갈 경우 당연히 process 전환을 수행할 수 있다. 이는 리눅스 커널 2.5 이후에 새로이 추가된 기능으로 커널 preemption이라고 한다. 당연히 리눅스 커널 2.4에는 없는 기능이다. E는 A와 중복되므로 수행하지 않는다.

sys_func()과 nested interrupt routine 그리고 커널 preemption

다음은 sys_func()를 수행하는 중에 interrupt가 발생했을 경우를 생각해 보자. 이 부분에서 interrupt가 들어올 경우 리눅스 커널은 [그림 8]과 같이 동작하도록 설계되었다.
[그림 8]에서 A(sys_func())는 process와 관련된 부분으로 [그림 7]에서의 A(do_signal())와 같이 취급한다. 당연히 [그림 8]에서 A를 수행하는 도중이라도 B와 C를 수행해야 하며, 필요 시에는 D에 의해 다른 process로 전환할 수 있다. 이 역시 리눅스 커널 2.5 이후에 새로이 추가된 커널 preemption 기능이다. E는 F와 중복되므로 수행하지 않는다.



[그림 8] sys_func()과 nested interrupt routine


sys_func()내의 schedule()과 nested interrupt routine

다음은 sys_func()내에서 schedule()을 수행하는 중에 interrupt가 발생했을 경우를 생각해 보자. 이 부분에서 interrupt가 들어올 경우 리눅스 커널은 [그림 9]와 같이 동작하도록 설계되었다.



[그림 9] sys_func()내의 schedule()과 nested interrupt routine


[그림 9]에서 A는 process와 관련된 작업이다. 따라서 A를 수행하는 도중이라도 당연히 B와 C를 수행해야 한다. D는 A와 같은 부분으로 A와 우선 순위가 같다. 따라서 A를 수행하고 나서 수행해야 한다. 즉 nested interrupt routine에서는 수행할 필요가 없다. E는 앞에서 설명한 것처럼 F와 중복되므로 수행할 필요가 없다. 

nested interrupt에 의한 커널의 동작

이상에서 우리는 nested interrupt에 의해 커널 수행해야 할 동작을 보았으며, [그림 10]과 같다. 



[그림 10] nested interrupt에 의한 커널의 동작


지금까지 우리는 리눅스 커널이 실제로 어떻게 설계되었는지 보았다. 

3. multi-tasking의 구현

다음은 간단한 scheduling과 context switching에 의해 multi-tasking이 어떻게 구현되는지를 보여주는 예다. 이 예를 통해서 마술 같은 multi-tasking을 구체적으로 이해해 보기로 하자. 지난 기사에서 설명한 부분에 대한 이해를 돕고자 이 부분을 추가하였다. 

먼저 scheduling이란 현재 process를 어떤 이유에 의해서 잠시 멈출 때 새로이 수행할 process를 선택하는 커널의 동작을 말한다. 

다음으로 context란 processor(CPU)가 어떤 process를 수행할 때의 processor의 상태를 말한다. processor의 상태란 구체적으로 processor 내의 여러 register의 어느 순간의 상태를 말한다. 따라서 context switching이란 현재 수행하던 process의 context를 그대로 메모리로 저장하며, scheduling을 통해 선택한 새로운 process의 context를 메모리로부터 processor의 여러 register로 복구하는 커널의 동작을 말한다.

다음의 예는 multi-tasking.s와 multi-tasking.c의 두 가지 파일로 구성된다. 그럼 구체적으로 구현 내용을 들여다 보자.





<1>에서 process_state는 하나의 process를 관리하기 위한 구조체이다. 이 구조체 내의 stack_top 변수는 stack pointer를 저장하기 위한 공간이고, stack 배열 변수는 256*4 byte 크기의 process stack이다. 

<2>에서는 두 개의 process를 관리하기 위하여 process_state 구조체 두 개를 process 배열 변수로 선언하였다. 

<3>에서는 scheduling과 context switching시 사용할 process_state 구조체를 가리킬 수 있는 pointer 변수 두 개를 선언하였다. 

<4>에서 <5>까지는 process[OTHER]의 상태를 초기화 하며, process[OTHER]의 상태는 [그림 11]과 같아진다. 



[그림 11] process[OTHER]의 초기화


<6>은 간단하지만 새로운 작업을 선택하는 scheduling 과정이다. 여기서는 새로운 작업으로 process[OTHER]를 선택한다. 

<7>을 어셈블리어로 나타내면 다음과 같다. 



여기서 과 , 과 부분에서 스택에 차례로 next, prev 값이 들어간다. 그리고, 부분에서 스택에 return address(0x0804852d) 값이 들어가며, multi-tasking.s 파일의 context_switch 함수로 뛴다. [그림 12]에서 ① 부분이 이 과정에서 만들어진다. 

다음은 multi-tasking.s 파일의 context_switch 함수를 보자. 

먼저 ⓐ에서 [그림 12]의 ② 부분이 만들어진다. 다음으로 ⓑ에서 processor의 esp register 값([그림 12]의 ③)을 process[MAIN]의 stack_top([그림 12]의 ④)에 저장한다. 이로써 지금까지 수행하던 process의 문맥 저장을 끝낸다. 

다음은 ⓒ에서 process[OTHER]의 stack_top 값([그림 12]의 ⑤)을 processor의 esp register([그림 12]의 ⑥)에 저장한다. 이 부분에서 esp register는 process[OTHER]의 stack top을 가리킨다. process[OTHER]는 이전에 초기화 되었으며, 이미 [그림 11]에서 살펴 보았다. ⓓ에서 ⑦부분에 저장된 값들이 processor의 각 register로 채워진다. 이로써 새로 수행할 process의 문맥을 복구하였다. 마지막으로 ret 명령에 의해 [그림 12]의 ⑧에서 ra의 값이 eip로 들어가면서 other 함수를 수행하기 시작한다. 이 때 esp register는 [그림 12]의 ⑨를 가리킨다. 



[그림 12] process간 전환


multi-tasking의 동작 방식을 이해했으면 마지막으로 두 파일을 컴파일 하여 실행해 본다. 

이상에서 우리는 multi-tasking이 어떻게 구현되는지를 보았다. 비록 짧은 소스이기는 하지만 중요한 개념들이 많이 들어가 있으며, 커널의 핵심적인 부분만을 떼내어 이해할 수 있다. 

마무리

지금까지 우리는 리눅스 커널이 어떻게 설계되었는지 보았다. 또한 multi-tasking이 어떻게 구현되는지 보았다. 이 과정에서 scheduling과 task 초기화도 들여다 보았다. 다음 기사에서는 리눅스 커널이 구체적으로 어떻게 구현되었는지 소스 수준에서 살펴 보기로 하자.

서민우 / minucy@hanmail.net
과학기술정보연구소 및 여러 대학교에서 임베디드 리눅스 실무과정을 강의하면서 리눅스 커널 초기버전을 분석하는 작업을 통해 초보자들도 OS 의 설계 및 구현에 대해 체계적으로 접근할 수 있는 방법에 대한 자료를 제작하는 데에 힘을 쏟고 있다. 50개 정도의 명령어, pipeline 등을 포함한 32 bit RISC CPU 를 설계 및 구현한 경험이 있고 uCOS/II 정도 수준의 OS 설계 및 구현에 대한 체계적인 접근 방법에 대한 자료까지 완성한 상태이며 지속적인 작업을 통해 커널과 OS에 관한 유용한 정보를 널리 공유하고자 노력하고 있다.

 

 

 

 

 

 

출처 : http://www.hanbit.co.kr/network/view.html?bi_id=1062