[CS330] 2. 인터럽트, 시스템 콜과 프로세스

1. 인터럽트 발생
   ↓
2. 현재 프로세스 상태 저장 (PC, 레지스터 → 인터럽트 스택)
   ↓
3. 인터럽트 벡터 테이블(IVT/IDT)에서 핸들러 주소 찾기
   ↓
4. 인터럽트 핸들러 실행 (커널 모드, 다른 인터럽트 비활성화)
   ↓
5. 저장된 상태 복원 및 복귀

User Application
     │
     │ 1. 시스템 콜 함수 호출 (예: read())
     ↓
C Library (libc)
     │
     │ 2. 시스템 콜 번호를 레지스터에 설정
     │ 3. trap 명령어 실행 (IA-32: INT, RISC-V: ECALL)
     ↓
───────────────────── [User Mode → Kernel Mode] ─────────────────────
     │
     ↓ 4. 모드 비트 변경 (1 → 0)
Kernel
     │
     │ 5. 시스템 콜 테이블에서 핸들러 찾기
     ↓
System Call Handler
     │
     │ 6. 요청된 작업 수행
     │ 7. 반환 값 설정
     ↓
───────────────────── [Kernel Mode → User Mode] ─────────────────────
     │
     │ 8. 유저 프로그램으로 복귀
     ↓
User Application

count = read(fd, buffer, nbytes);

Address
0xFFFFFFFF ┌──────────────────────────────┐
           │  Return to caller            │
           │  Trap to the kernel          │ ← Library
           │  Put code for read in reg    │   procedure
           ├──────────────────────────────┤   read
           │  Increment SP                │
User Space │  Call read                   │ ← User program
           │  Push fd                     │   calling read
           │  Push &buffer                │
           │  Push nbytes                 │
           ├──────────────────────────────┤
0          │                              │
═══════════╪══════════════════════════════╪═══════════════════════
Kernel     │  Dispatch                    │
Space      │  Sys call handler            │
(Operating │                              │
System)    └──────────────────────────────┘

┌───────────┐      (1) Initiate Block Read
│ Processor │────────────────────────────────┐
└───────────┘      (3) Read Done (Interrupt) ↓
   Memory ←────(2) DMA Transfer────┌──────────────────┐
                                   │  I/O Controller  │
                                   └──────────────────┘
                                            ↓
                                          Disk

Process = Address Space + Thread(s) + Resources

High Address
0xFFFFFFFF ┌─────────────────────┐
           │  Kernel Space       │ ← 모든 프로세스가 공유
           │  (공통)             │
           ├─────────────────────┤
           │  Stack              │ ← 함수 호출, 지역 변수
           │        ↓            │
           │                     │
           │                     │
           │        ↑            │
           │  Heap               │ ← 동적 메모리 할당
           ├─────────────────────┤
           │  BSS                │ ← 초기화되지 않은 전역 변수
           ├─────────────────────┤
           │  Data               │ ← 초기화된 전역 변수
           ├─────────────────────┤
           │  Text (Code)        │ ← 프로그램 코드
0x00400000 └─────────────────────┘
Low Address

struct task_struct {  // Linux에서 약 6016 bytes (4.15.0-91)
    // 프로세스 식별
    pid_t pid;
    pid_t ppid;

    // 상태 정보
    int state;              // Running, Ready, Blocked

    // CPU 레지스터
    struct pt_regs *regs;   // PC, SP, 범용 레지스터 등

    // 스케줄링 정보
    int priority;
    unsigned long time_slice;

    // 메모리 관리
    struct mm_struct *mm;   // 페이지 테이블 포인터

    // 파일 시스템
    struct files_struct *files;  // 열린 파일 목록

    // I/O 상태
    // 자격 증명(credentials)
    // 등등...
};

                  Created
                     │
                     ↓
        ┌─────── Ready ────────┐
        │          ↑           │
   I/O or    Time exhausted    │ Scheduled
 completion       │             ↓
        │         │         Running
        ↓         │            │
      Blocked ────┘            ↓ exit
                            Terminated

int child_pid = fork();

if (child_pid == 0) {
    // 자식 프로세스
    printf("I am process #%d\n", getpid());
} else {
    // 부모 프로세스
    printf("I am parent of process #%d\n", child_pid);
}

if (execv(argv[0], argv) < 0) {
    printf("%s: command not found\n", argv[0]);
    exit(0);
}

waitpid(pid, &status, 0);

while (getcmd(cmdline, MAXLINE) >= 0) {
    parsecmd(cmdline, argv);

    if (!builtin_command(argv)) {
        if ((pid = fork()) == 0) {
            // 자식: 명령어 실행
            execv(argv[0], argv);
            printf("%s: command not found\n", argv[0]);
            exit(0);
        }
        // 부모: 자식 대기
        waitpid(pid, &status, 0);
    }
}