[3주차] CPU 스케줄링 + 인터럽트 & 시스템 콜

• CPU 스케줄링 알고리즘
• 인터럽트(Interrupt) 개념 및 종류
• 시스템 콜(System Call)과 사용자 모드 vs 커널 모드

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🔵 CPU 스케줄링 알고리즘

CPU 스케줄링이란?

하나의 CPU 코어는 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능하다.

언제 어떤 프로세스에 CPU를 줄 지 결정하는 것이 CPU 스케줄링이다.

스케줄링의 목적

지표	설명	중요 대상
Response time	입력 -> 출력까지 걸리는 시간	사용자 입장
Throughput	단위 시간 당 완료된 프로세스의 수	시스템 입장
Processor efficiency	CPU가 유효한 작업을 수행한 비율	운영체제 입장
Fairness	모든 프로세스가 공평하게 CPU 기회를 얻는가	전체 프로세스 입장

CPU 스케줄러가 스케줄링을 결정하는 타이밍

1. Running -> Waiging: I/O 요청 시

2. Running-> Ready: interrupt 발생 시

3. Waiting -> Ready: I/O 완료 시

4. Process 종료 시

1번, 4번만 발생: 비선점형(non-preemptive) 스케줄링

2번, 3번도 포함: 선점형(preemtive) 스케줄링

비선점형 스케줄링

프로세스가 CPU를 점유하면 끝날 때까지 유지하는 스케줄링이다.

필요한 경우에만 문맥 교환이 발생하므로 오버헤드가 적다.

배치 순서에 따라 효율성 차이가 크다.

선점형 스케줄링

운영체제가 CPU를 강제로 회수 가능한 스케줄링이다.

짧은 작업을 먼저 처리하는 것이 가능하므로 효율적이다.

하지만 잦은 문맥교환으로 오버헤드가 커질 가능성이 있다.

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FCFS (First-Come-First-Served)

프로세스를 도착한 순서대로 처리하는 방식이다.

구현이 간단하고 직관적이지만, 대기 시간이 길어질 수 있는 단점이 있다.

특히 긴 작업이 먼저 도착하면 후속 작업들이 오래 기다리는 문제가 발생한다.

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RR (Round-Robin)

모든 프로세스에 동일한 시간 할당량(time quantum)을 주고 순차적으로 실행하는 방식이다.

시간이 다 되면 CPU를 다음 프로세스에게 넘긴다.

공정성이 뛰어나며, 대화형 시스템에 적합한 방식이다.

단, 시간 할당량이 너무 크거나 작으면 성능 저하가 발생할 수 있다. 시스템의 response time을 최소화할 수 있는 q값을 찾아야 한다.

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SJF (Shortest Job First)

처리 시간이 가장 짧은 작업부터 실행하는 방식이다.

평균 대기시간이 짧아 효율적이다.

단, 정확한 실행시간을 예측하기 어렵기 때문에 실제 적용이 까다롭다.

-> 예측이 잘못된 경우 response time이 지연된다.

-> 긴 작업은 계속 뒤로 밀려, 최악의 경우 starvation 발생

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SRT (Shortest Remaining Time)

SJF의 선점형 버전이다.

남은 실행 시간이 가장 짧은 작업을 우선 실행한다.

새로운 작업이 도착할 때마다 비교하여 CPU를 선점할 수 있다.

짧은 작업 처리에 유리하지만, 문맥 교환이 자주 일어날 수 있다.

단, 짧은 작업이 계속 들어오면 긴 작업은 계속 밀리면서

-> starvation이 발생할 수 있고,

-> 긴 작업의 응답 시간은 매우 나빠진다.

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HRRN (Highest Response Ratio Next)

우선순위를 (대기시간 + 서비스시간) / 서비스시간으로 계산하여 가장 높은 비율을 선택하는 방식이다.

Ratio = (timeSpentWating + expectedServiceTime) / expectedServiceTime

긴 작업도 우선순위가 점점 높아지기 때문에 starvation을 방지할 수 있다.

비선점형 방식이며, 공정성과 효율성을 함께 고려하는 방식이다.

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MLQ (Multi-Level Queue)

프로세스를 우선순위나 성격에 따라 여러 개의 큐로 나누고, 각 큐마다 다른 스케줄링 알고리즘을 적용하는 방식이다.

큐 간 이동은 없으며, 큐 간 우선순위는 고정되어 있다.

예: 시스템 프로세스 큐 > 사용자 큐 등.

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MLFQ (Multi-Level Feedback Queue)

MLQ의 확장형으로, 프로세스가 다른 큐로 이동할 수 있도록 피드백을 주는 방식이다.

CPU 사용 시간이 길어지면 낮은 우선순위로 이동하며, 짧은 작업은 높은 우선순위를 유지한다.

복잡하지만 다양한 작업 특성에 유연하게 대응 가능하다.

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🔵 인터럽트(Interrupt) 개념 및 종류

interrupt: 프로세서의 정상적인 명령 실행 흐름을 중단하고, 예외 상황이나 외부 이벤트를 처리할 수 있도록 해주는 메커니즘이다.

인터럽터의 종류

구분	설명
Program	프로그램 실행 중 발생하는 인터럽트 -> 산술 오버플롱, 0으로 나누기, 잘못된 명령어 실행, 접근 허용되지 않은 메모리 참조 등
Timer	프로세서 내부의 타이머에 의해 발생. 운영체제가 주기적으로 수행해야 하는 작업들을 트리거 함 -> 시분할 스케줄링
I/O	입출력 컨트롤러가 보내는 신호. 입출력 작업이 완료되었거나 에러가 발생했을 때 발생 -> 대부분의 I/O는 CPU보다 속도가 느림 -> 따라서 CPU는 I/O 장치의 완료를 기다려야 할 때가 있음 -> 이 때문에 인터럽트 기반 I/O처리를 사용하여 CPU가 효율적으로 작동하도록 함
Hardware Failure	전원 장애, 메모리 오류 등 하드웨어 문제로 인해 발생하는 인터럽트 -> 전원 이상, 메모리 패러티 에러 등

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인터럽트 핸들러

interrupt handler는 특정 I/O 장치를 처리하기 위한 프로그램이다.

일반적으로 운영체제 내부에 포함된 코드로, 인터럽트가 발생하면 해당 핸들러로 제어가 넘어가 해당 작업을 처리한다.

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명령 주기에서 인터럽트 처리 흐름

CPU는 보통 Fetch -> Execute 순서로 명령을 수행하지만, 이 중간에 인터럽트가 발생할 수 있다.

명령어 수행 흐름

1. START → Fetch Stage

   • 다음 명령어를 메모리에서 가져온다.

2. Execute Stage

   • 가져온 명령어를 실행한다.

   • 실행 중에는 인터럽트가 비활성화(Interrupts Disabled) 되어 있어 인터럽트를 무시한다.

3. Interrupt Stage

   • 명령 실행이 끝난 후, 인터럽트 발생 여부를 확인한다.

   • 인터럽트가 발생했다면:

   • Interrupt Handler의 주소를 Program Counter(PC) 에 설정한다.

   • 실제 핸들러 코드는 다음 Fetch 단계에서 실행된다.

4. Fetch Stage (인터럽트 핸들러 코드)

   • 이제 PC가 가리키는 인터럽트 핸들러의 첫 명령을 가져와 실행함으로써,

   • 키보드 입력 처리, I/O 완료 처리 등 인터럽트에 따른 적절한 작업이 수행된다.

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인터럽트 발생 시 메모리와 레지스터의 변화

인터럽트 발생 흐름

1. 인터럽트 발생 (I/O, Timer, 프로그램 오류 등)
2. 현재 명령어 실행 완료
3. 레지스터(PC, PSW 등) 상태 저장 -> 스택에 PUSH
4. 인터럽트 핸들러 주소를 PC에 로드
5. 인터럽트 핸들러 실행 시작

인터럽트 종료 후 복귀 흐름

1. 인터럽트 처리 완료
2. 저장해 두었던 레지스터 상태 POP + 복구
3. 원래 사용자 프로그램으로 복귀 (PC를 복원하여 재시작)

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🔵 시스템 콜(System Call)과 사용자 모드 vs 커널 모드

모드란 무엇인가

운영체제는 보안과 안정성을 위해 CPU 실행 권한을 두 가지로 나눈다.

구분	사용자 모드 (User Mode)	커널 모드 (Kernel Mode)
실행 주체	일반 사용자 프로그램	운영체제(커널)
권한	제한됨 (I/O 접근 불가 등)	전체 시스템 자원 접근 가능
가능 작업	단순 연산, 사용자 앱 로직 등	파일 시스템 접근, 메모리 관리, I/O 등
예시	계산기 앱, 웹 브라우저	시스템 콜 처리, 드라이버, 스케줄러 등
전환 방법	시스템 콜 또는 인터럽트 발생 시	시스템 콜 종료 후 복귀

사용자 모드에서는 커널 기능을 직접 실행할 수 없고, 반드시 시스템 콜을 통해서만 접근 가능하다.

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시스템 콜이란?

사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 사용하고 싶을 때 호출하는 인터페이스이다.

즉, 사용자 모드 → 커널 모드로 전환하기 위한 공식적인 방법이다.

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시스템 콜 동작 흐름

[User Mode]
사용자 프로그램 실행
↓
시스템 콜 요청 (e.g. write())
↓
트랩(Trap) 발생 → 커널 모드 진입
↓
[Kernel Mode]
운영체제가 요청 처리
↓
결과 반환 및 사용자 모드 복귀