이중 모드 연산 (Dual-Mode Operation)

핵심 개념

운영체제 코드 실행과 사용자 정의 코드 실행을 구분하기 위해 하드웨어가 제공하는 최소 두 가지 실행 모드

• user mode
• kernel mode

잘못된(또는 악의적인) 프로그램이 다른 프로그램이나 운영체제 자체를 부정확하게 실행시킬 수 있는 문제를 방지하기 위해 필요하다.

동작 원리

컴퓨터 하드웨어에 현재 모드를 나타내는 mode bit이 존재한다:

모드	mode bit	별칭
kernel mode	0	supervisor mode, system mode, privileged mode
user mode	1	-

모드 전환 흐름

1 User Mode

사용자 프로세스 실행 (bit=1)

2 System Call

시스템 콜 호출

3 Trap

mode bit → 0 전환

4 Kernel Mode

커널에서 시스템 콜 실행

5 Return

mode bit → 1 전환

6 Resume

사용자 프로세스 실행 재개

반복

부팅 시 동작

1. 시스템 부팅 시, 하드웨어는 kernel mode에서 시작
2. 운영체제가 로드된 후, user mode에서 사용자 응용 프로그램 시작
3. trap이나 interrupt 발생 시마다 하드웨어가 user mode에서 kernel mode로 전환

2개 이상의 모드

• Intel 프로세서: 4개의 protection ring (ring 0 = kernel, ring 3 = user)
• ARMv8 시스템: 7개의 모드
• 가상화 지원 CPU: VMM(Virtual Machine Manager)용 별도 모드 존재

트레이드오프

• 장점: OS를 오류 사용자로부터, 사용자들을 서로로부터 보호
• 단점: 모드 전환 시 오버헤드 발생

관련 개념

• 특권 명령어 (Privileged Instructions) - 커널 모드에서만 실행 가능한 기계 명령어
• 트랩 (Trap) - 사용자 모드에서 커널 모드로 전환을 유발하는 소프트웨어 인터럽트
• 시스템 콜 (System Call) - 사용자 모드에서 커널 서비스에 안전하게 접근하는 방법
• 타이머 (Timer) - 운영체제가 CPU 제어를 유지하도록 보장하는 보호 장치
• 커널 (Kernel) - 커널 모드에서 실행되는 운영체제의 핵심 프로그램

출처

• Operating System Concepts, 10th Edition, Chapter 1, p.24-25