시스템 콜

시스템 콜 이란?

위키피디아의 정의에 따른 시스템 콜의 정의는 다음과 같다.

시스템 호출(system call)은 운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해, 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다. 보통 C나 C++과 같은 고급 언어로 작성된 프로그램들은 직접 시스템 호출을 사용할 수 없기 때문에 고급 API를 통해 시스템 호출에 접근하게 하는 방법이다.

시스템 콜은 왜 필요할까? 

 우리가 일반적으로 사용하는 프로그램은 '응용프로그램'입니다. 유저레벨의 프로그램은 유저레벨의 함수들 만으로는 많은 기능을 구현하기 힘들기 때문에, 커널(kernel)의 도움을 반드시 받아야 합니다. 이러한 작업은 응용프로그램으로 대표되는 유저 프로세스(User Process)에서 유저모드에서는 수행할 수 없습니다. 반드시 kernel에 관련된 것은 커널모드로 전환한 후에야, 해당 작업을 수행할 권한이 생깁니다. 커널 모드를 통한 이러한 작업은 반드시 시스템 콜을 통해 수행하도록 설계되어 있습니다. 아래 그림(1.13)을 살펴보면 이해가 빠를 것입니다.

출처: Operating System Concepts 10th - SILBERSCHARTZ

 그렇다면 권한은 왜 필요한 것일까? 의문이 생길 수 있습니다. 그 이유는 해커가 피해를 입히기 위해 악의적으로 시스템 콜을 사용하는 경우나 초보 사용자가 하드웨어 명령어를 잘 몰라서 아무렇게 함수를 호출했을 경우에 시스템 전체를 망가뜨릴 수도 있기 때문입니다. 따라서 이러한 명령어들은 특별하게 커널 모드에서만 실행할 수 있도록 설계되었고, 만약 유저 모드에서 시스템 콜을 호출할 경우에는 운영체제에서 불법적인 접근이라 여기고 trap을 발생시킵니다.

 

커널 모드와 사용자 모드에 대해서 알아보자.

1) 커널 모드

프로그램 카운터가 운영체제가 존재하는 부분을 가리키고 있다면, 현재 운영체제의 코드를 수행 중이며 CPU가 커널 모드에서 수행 중이라고 한다.

2) 사용자 모드

프로그램 카운터가 사용자 프로그램이 존재하는 메모리 위치를 가리킬 경우, 사용자 프로그램을 수행 중이며 CPU가 사용자 모드에서 수행 중이라고 한다.

 

• 일반 명령 : 메모리에서 자료를 읽어와서 CPU에서 계산하고 결과를 메모리에 쓰는 일련의 명령들. 모든 프로그램이 수행할 수 있음. (사용자 모드)
• 특권 명령 : 보안이 필요한 명령으로 입출력 장치, 타이머 등 각종 장치를 접근하는 명령.(커널 모드)
• CPU 내에 모드 비트를 두어 두 명령을 수행한다.
• 사용자 프로그램이 디스크의 파일을 접근하거나, 화면에 결과를 출력하는 등의 작업이 필요한 경우가 있다. 하지만, 이러한 작업은 특권 명령의 수행을 필요로 한다.
• 이와 같은 경우, 사용자 프로그램은 스스로 특권 명령을 수행할 수 없으므로 운영체제에게 특권 명령의 대행을 요청한다. 이러한 서비스 요청은 시스템 콜이라고 부른다. (즉, 특권 명령의 대행을 요청하여 사용자 프로그램이 커널 영역의 기능을 수행하게 해준다.)

 

디스크에서 자료를 읽어오는 시스템 콜이라고 가정!

1. 사용자 프로그램이 시스템 콜을 하게 되면 운영체제는 자신의 커널 영역에 정의된 시스템 콜 처리 코드를 수행한다.
2. CPU가 컨트롤 레지스터를 세팅해 디스크 컨트롤러에게 데이터를 읽어오라고 명령한다.
3. 디스크 컨트롤러는 디스크로부터 데이터를 읽어와서 자신의 로컬 버퍼에 저장한다.
4. 작업이 완료되면 디스크 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트를 발생시켜 입출력 작업이 완료되었음을 통지한다.

통상적으로 시스템 콜은 여러 종류의 기능으로 나뉘어져 있다. 각 시스템 콜에는 번호가 할당되고 시스템 콜 인터페이스는 이러한 번호에 따라 인덱스되는 테이블을 유지한다. 아래 그림은 open() 시스템 콜을 호출했을 때, 운영체제에서 어떻게 처리되는지를 보여준다.

필요한 기능이나 시스템 환경에 따라 시스템 콜이 발생할 때, 좀 더 많은 정보가 필요할 수도 있다. 그러한 정보가 담긴 매개변수를 운영체제에 전달하기 위해서는 대략 3가지 정도의 방법이 있다.

1) 매개변수를 CPU 레지스터 내에 전달한다. 이 경우에 매개변수의 갯수가 CPU 내의 레지스터 갯수보다 많을 수 있다.

2) 위와 같은 경우에 매개변수를 메모리에 저장하고 메모리의 주소가 레지스터에 전달된다. (아래 그림 참고)

3) 매개변수는 프로그램에 의해 스택으로 전달될 수도 있다.

2,3번은 전달되는 매개변수의 갯수나 길이에 제한이 없기 때문에 몇몇 운영체제에서 선호하는 방식이다.

 

시스템 콜의 종류

• 프로세스 컨트롤
  • 프로세스 생성 및 종료
  • 메모리에 로드, 실행
  • 프로세스 속성 값 확인, 지정
  • wait 이벤트, signal 이벤트
  • 메로리 할당
• 파일 메니지먼트
  • 파일 생성, 파일 삭제
  • 열기, 닫기
  • 읽기, 쓰기, Reposition
  • 파일 속성 값 확인, 지정
• 디바이스 매니지먼트
  • 디바이스 요청 및 해제
  • 읽기, 쓰기, Reposition
  • 디바이스 속성 확인, 지정
  • 비 물리적인 디바이스 해제 및 장착
• 정보 관리
  • 시간 확인, 시간 지정
  • 시스템 데이터 확인, 지정
  • 프로세스, 파일, 디바이스 속성 가져오기
  • 프로세스, 파일, 디바이스 속성 설정하기

• 커뮤니케이션
  • 커뮤니케이션 연결 생성 및 삭제
  • 메시지 송신, 수신
  • 상태 정보 전달
  • remote 디바이스 해제 및 장착
• 보안
  • Permission 획득
  • Permission 설정

실재 UNIX  System Calls

출처: Operating System Concepts 10th - SILBERSCHARTZ 68page

 

 

시스템 콜의 유형

5가지의 범주로 나눌 수 있다.

1. 프로세스 제어 : 프로세스 특권 모드를 사용해 직접적으로 프로세스 제어가 가능
2. 파일 조작 : 파일을 생성하거나 삭제, 관리 등
3. 장치 관리 : 장치 요구 및 장치 해제, 읽기, 쓰기, 재배치 등
4. 정보 유지 : 시간과 날짜의 설정과 획득, 시스템 자료의 설정과 획득
5. 통신 : 통신 연결의 생성 및 제거, 메시지의 송수신, 상태 정보 전달 등

출처: https://fjvbn2003.tistory.com/306 [Chaos and Order]