OS 개발 - 3일차 (64비트 프로세서 OS 개발)

오늘은 OS 개발을 위한 이론을 공부를 했다.

• 지식 정리

3장에서 다룰 내용

• OS를 구동할 프로세서에 대한 지식
• 64비트 프로세서의 내부 구조를 간략하게 설명하고, 운영 모드별 메모리 관리 기법의 공통점과 차이점을 살펴본다.
• 64비트 프로세서에는 크게 16비트, 32비트, 64비트 모드가 있으며, 각 모드에 따라 프로세서는 조금씩 다른 방식으로 동작합니다.
• OS 개발하려면 각 모드와 모드의 차이점을 알아야 합니다. 이는 직접 프로세서를 제어하고 모드를 전환할 때 필요한 초기화를 수행해야 하기 떄문이다.

3.1 운영모드

• 주변에서 사용하는 인텔 64비트 호환 프로세서(x86-64 프로세서)에는 크게 다섯 가지 운영 모드가 있다.

1. 16비트의 리얼 모드
2. 32비트의 보호 모드
3. 64비트의 IA-32e 모드와 조금 낯선 시스템 관리 모드
4. 가상 8086모드

• 각 모드에는 다음과 같은 특징이 있고, 컨트롤 레지스터와 인터럽트라는 특수한 이벤트를 통해 각 모드로 전환할 수 있습니다.

운영 모드	설명
리얼 모드	- 프로세서의 초기 상태로서 16비트 모드로 동작하며 8086 프로세서와 호환되는 모드 최대 1MD(2^20)의 주소 공간을 지원
보호 모드	32비트 모드로 동작하며 세그먼트, 페이징, 보호, 멀티태스킹 등의 기능을 제공하는 모드 4GB(2^32)의 주소 공간을 지원
IA-32e 모드	32비트 호환 모드와 64비트 모드의 두 가지 서브모드로 구성 16EB(2^64)의 주소 공간을 지원하는 모드
시스템 관리 모드	전원 관리나 하드웨어 제어 같은 특수 기능을 제공하는 모드
가상 8086 모드	보호 모드 내부에서 가상의 환경을 설정하여 리얼 모드처럼 동작하는 모드

• 64비트 모드를 지원하는 IA-32e 모드는 제조사에 따라 다르게 불려진다. -> 인텔에서는 IA-32e 모드로 표기, AMD에서는 Long Mode로 표기
• 앞으로 우리가 만들 64비트 멀티코어 OS는 전원 관리 기능이나 보호 모드에서 16비트 코드를 실행하는 기능을 지원하지 않으므로, 시스템 관리 모드와 가상 8086 모드를 제외한 세 가지 모드만 구현한다.

1. 리얼 모드
2. 64비트 서브모드(IA-32e 모드)
3. 보호 모드

리얼 모드

프로세서가 어떤 상태 또는 모드에 있든 전원이 켜지거나 리셋되면 프로세서는 리얼 모드로 진입합니다.

• 리얼 모드는 과거의 16비트 프로세서와 동일하게 동작하며, 이후에 설명할 BIOS의 여러 기능을 사용할 수 있습니다.
• BIOS는 디스크 읽기 및 쓰기 기능부터 그래픽모드로 전환하는 기능까지 여러가지 기능을 제공하며, 이를 사용하면 별도의 디바이스 드라이버를 제작하지 않고도 원하는 작업을 수행할 수 있다.
• 리얼모드에서 하는 작업
  • OS 이미지를 디스크에서 메모리로 복사하여, 보호 모드로 변경하는 것
    -> 해당 작업은 어셈블리어로 처리해야 한다.

보호 모드

리얼모드에서 IA-32e 모드로 전환하려면 반드시 보호 모드를 거쳐야 한다.

• 보호 모드는 32비트 윈도우나 리눅스 OS가 동작하는 기본 모드이다.
  • 최대 4G(2^32) 주소 공간을 제공한다.
  • OS의 필수 기능으로 자리 잡은 보호, 멀티태스킹, 세그먼테이션, 페이징 등의 기능을 하드웨어적으로 지원한다.
  • 제리스터와 자료구조가 다양하다.

IA-32e 모드

• IA-32e 모드에는 서브모드로 32비트 호환 모드와 64비트 모드가 잇다.
• 32비트 호환 모드는 보호모드와 같은 기능을 수행
• 최대 16E(2^64)의 주소 공간을 제공하며 레지스터 수도 보호모드보다 많다.
• 32비트 호환 모드에 있는 것처럼 동작하므로, 32비트 코드를 그대로 실행할 수 있다는 점이다.

운영모드 사이의 관계와 운영 모드의 전환

• 특정 모드에서 다른 모드로 전환하는 작업은 현재 동작 중인 모드에 따라 차이가 있습니다.
• 리얼 모드에서 보호 모드로 전환하는 상황처럼 다른 모드를 거치지 않고 바로 전환 가능한 경우도 있지만, 리얼모드에서 IA-32e 모드로 전환하는 상황과 같이 리얼모드 -> 보호모드 -> IA-32e를 거쳐서 전환해야 하는 경우도 있다.

1. 전원이 켜지거나 리셋되면 프로세서는 리얼 모드로 진입한다.
2. 리얼모드에서 전환할 수 있는 유일한 모드는 공식적으로 보호 모드뿐이다.
3. 보호모드에서는 가상 8086모드, IA-32e모드, 다시 리얼 모드로 전환할 수 있다.
4. 시스템 관리 모드는 모든 모드에서 진입할 수 있다.

운영모드와 레지스터

OS를 개발하는 관점에서 운영 모드는 크게 16비트 모드, 32비트 모드, 64비트 모드 세 가지로 나눌 수 있따.

• 보호모드의 레지스터

• OS를 개발하는 과정에서 큰 비중을 차지하는 레지스터는 범용 레지스터, 세그먼트 레지스터, 컨트롤 레지스터 3가지입니다.
  • 위 3가지 레지스터를 제외한 레지스터는 사용빈도가 극히 적거나 직접 레지스터에 값을 설정할 일이 거의 없다.

범용 레지스터 (General Purpose Register)

• 운영 모드와 가장 관계가 깊은 레지스터이다.
• 범용 레지스터는 계산, 메모리 어드레스 지정, 임시 저장 공간 등의 목적으로 사용합니다.
• 범용 레지스터의 수는 프로세서가 지원하는 운영모드에 따라 다르다.
• 16비트와 32비트 모드를 지원하는 x86 계열(인텔 32비트 호환 프로세서)은 8개, 64비트 모드를 지원하는 x86-64 계열은 16개의 범용 레지스터가 있다.

세그먼트 레지스터 (Segment Register)

• 16비트 레지스터로 어드레스 영역을 다양한 크기로 구분하는 역할을 합니다.
• 모드마다 조금씩 역할에 차이가 있습니다.
• 리얼모드에서는 : 단순히 고정된 크기의 어드레스 영역을 지정하는 역할만 한다.
• 보호모드, IA-32e모드에서는 접근 권한(Privilege Level), 세그먼트의 시작 어드레스와 크기 등을 지정하는 데 사용되기도 한다.
• 이러한 기능을 통해 -> 커널 영역을 보호하는 기능을 쉽게 구현 가능

• 메모리 관리 기법에는 크게 세그먼테이션 기법과 페이징 기법 두 가지가 있다.
  • 이중에서 세그먼트 레지스터를 통해 주소 공간을 구분하는 방식 : 세그먼테이션

컨트롤 레지스터(Control Register)

• 현재 운영 중인 모드의 특정 기능을 제어하는 레지스터이다.
• x86 프로세서에는 CR0, CR1, CR2, CR3, CR4의 5개의 컨트롤 레지스터가 존재하며, x86-64 프로세서에는 CR8이 추가되어 총 6개의 컨트롤 레지스터가 있다.
• 각 컨트롤 레지스터의 역할
  
  

운영 모드와 메모리 관리 기법

x86과 x86-64 프로세서에서 지원하는 메모리 관리 기법은 크게 두가지이다.

• 주소 공간을 특정 영역으로 나눈다.

1. 세그먼테이션(Segmentation) - 전체 영역을 원하는 크기로 나누어 관리하는 방식
2. 페이징(Paging) - 일정한 단위로 잘라진 조각을 모아 원하는 크기로 관리하는 방식

리얼 모드의 메모리 관리 방식

• 리얼 모드는 최대 1MB까지 주소 공간을 사용하며 세그먼테이션만 지원한다.
• 리얼 모드에서 세그먼트 크기는 64K로 고정이고, 세그먼트의 시작 어드레스는 세그먼트 레지스터에 직접 설정한다.

• 리얼 모드는 페이징을 사용하지 않으므로 물리 주소로 변환하는 방식이 비교적 간단하다.
• 리얼 모드의 세그먼테이션은 세그먼트 레지스터의 값에 범용 레지스터의 값을 더하는 방식으로 동작합니다.

보호 모드의 메모리 관리 방식

• 세그먼테이션과 페이징을 모두 지원한다.
• 보호 모드의 세그먼테이션은 리얼 모드의 세그먼테이션보다 많은 기능을 제공한다. 또한 보호 모드의 세그먼테이션은 세그먼트 레지스터에 세그먼트의 기준 주소를 직접 설정하는 대신 디스크립터 자료구조의 위치를 설정하는 방식으로 바뀌었습니다.
• 세그먼트 레지스터의 명칭도 세그먼트 디스크립터를 선택한다는 의미에서 세그먼트 셀렉터로 변경되었다.
• 디스크립터는 메모리 영역의 정보를 저장하는 자료구조로 여러 종류가 있다. 그중 세그먼트에 대한 정보를 나타내는 디스크립터를 세그먼트 디스크립터라고 부른다.
• 세그먼트 디스크립터에는 세그먼트의 시작 어드레스 크기와 권한, 타입 등의 정보가 있다.
• 접근하는 어드레스가 세그먼트의 크기를 넘어서는 경우 예외
• 보호 모드에서 주소를 계산하는 방법은 리얼 모드와 마찬가지로 세그먼트 레지스터의 기준 주소에 범용 레지스터의 값을 더해서 구합니다.

부팅과 부르 로더

• 모든 OS는 동등하게 512바이트 크기의 작은 코드에서 시작된다.
• 이는 부트 로더(Boot loader)라고 불리며, OS의 나머지 코드를 메모리에 복사해 실행시킵니다.

부팅과 BIOS

부팅(Booting)은 PC가 켜진 후에 OS가 실행되기 전까지 수행되는 일련의 작업 과정을 의미합니다.
부팅 과정에서 수행하는 작업에는

1. 프로세서 초기화(멀티코어 관련 처리 포함)
2. 메모리와 외부 디바이스 검사 및 초기화
3. 부트로더를 메모리에 복사하고 OS를 시작하는 과정

• 부팅 과정 중 하드웨어와 관련된 작업을 BIOS가 담당하며, BIOS에서 수행하는 각종 테스트나 초기화를 POST라고 부릅니다.
• BIOS는 메인보드에 포함된 펌웨어(Firmware)의 일종으로, 이름 그대로 입출력을 담당하는 작은 프로그램이다.
• 보통 PC 메인 보드에 롬(ROM)이나 플래시 메모리로 존재하며, 전원이 켜짐과 동시에 프로세서가 가장 먼저 실행하는 코드입니다.
• BIOS는 부팅 옵션 설정이나 시스템 전반적인 설정 값(Configuration)을 관리하는 역할도 겸하고 있으며, 설정 값으로 시스템을 초기화하여 OS를 실행할 수 있는 환경을 만듭니다.
• BIOS는 예전 16비트 환경부터 디스크 입출력과 비디오 모드 전환 등 여러 가지 기능을 제공해왔습니다.
• BIOS는 예전 16비트 환경부터 디스크 입출력과 비디오 모드 전환 등 여러 가지 기능을 제공해왔습니다.
• BIOS에서 제공하는 기능은 인터럽트를 통해 사용할 수 있으며, MS-DOS 같은 과거의 16비트 OS는 BIOS의 기능에 많이 의존했습니다.
• MINT64 OS도 OS이미지를 메모리에 복사하고 GUI 모드로 변환할 때 BIOS의 기능을 사용합니다.

• 우리에게 가장 중요한 것은 부트 로더 이미지를 메모리로 복사하는 단계입니다.
• 부트 로더는 부트스트랩 코드라고도 불리며 우리가 BIOS에서 처음으로 제어를 넘겨받는 부분입니다.
• 루트로더는 플로피 디스크나 하드 디스크 등 저장 매체의 가장 앞부분에 존재합니다.
• PC는 디스크나 플래시 메모리 등 다양한 장치로 부팅할 수 있으므로 BIOS는 POST가 완료된 후 여러 장치를 검사하여 앞부분에 부트로더가 있는지 확인합니다.
• 부트 로더가 존재한다면 코드를 0x7C00 어드레스에 복사한 후 프로세서가 0x7C00 어드레스부터 코드를 수행하도록 합니다.
• 부팅 가능한 모든 장치를 검사했는데도 부트 로더를 찾을 수 없다면 BIOS 'Operating System Not Found'와 같은 메시지를 출력하고 작업을 중단합니다.
• 부트 로더가 디스크에서 메모리로 복사되어 실행되었다는 것은 BIOS에 의해 PC가 정상적으로 구동되었다는 것을 의미합니다.
• 부트로더는 크기가 512바이트로 정해져 있습니다.
• 4장과 5장에서 우리가 만들 부트로더 역시 OS이미지를 디스크에서 메모리로 복사하는 역할만 수행합니다.
• 이러한 사태를 방지하려면 BIOS는 첫 번째 섹터에 있는 데이터가 부트 로더인지 확인해야 합니다.
• 이를 위해 BIOS는 읽어들인 512바이트 중에 가장 마지막 2바이트의 값이 0x55, 0xAA인지 검사해서 부트로더인지 확인합니다.
• 읽은 데이터가 0x55, 0xAA로 끝나지 않는다면 데이터로 인식하고 부팅 과정을 더 진행하지 않습니다.

부트 로더 제작을 위한 준비