CPU 모드

3. CPU 모드와 아키텍처

CPU 모드는 하드웨어 아키텍처에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있다.

제한되지 않은 모드는 종종 "커널 모드"라고 불리지만, 마스터 모드, 슈퍼바이저 모드, 특권 모드 등 다른 명칭도 많이 있다. 제한된 모드는 일반적으로 "사용자 모드"라고 하지만, 슬레이브 모드, 문제 상태 등 다른 이름으로도 알려져 있다.^[2]

커널 모드에서 CPU는 아키텍처에서 허용하는 모든 작업을 수행할 수 있다. 모든 명령을 실행하고, 입출력(I/O) 작업을 시작하고, 메모리 영역에 접근할 수 있다. 다른 CPU 모드에서는 하드웨어에 의해 CPU 작업에 특정 제한이 적용된다. 일반적으로 특정 명령(특히 시스템의 전역 상태를 변경할 수 있는 입출력 작업 포함)이 허용되지 않으며, 일부 메모리 영역에 접근할 수 없다. CPU의 사용자 모드 기능은 일반적으로 커널 모드에서 사용할 수 있는 기능의 하위 집합이지만, 비 네이티브 아키텍처의 하드웨어 에뮬레이션과 같은 경우에는 표준 커널 모드에서 사용할 수 있는 것과 크게 다를 수 있다.

IBM System/360, DEC PDP-6/PDP-10, GE-600/Honeywell 6000 시리즈, Burroughs B5000 시리즈 및 B6500 시리즈와 같은 1960년대에 소개된 몇몇 컴퓨터 시스템은 두 가지 CPU 모드를 지원했다. 이 모드들은 실행되는 코드에 전체 권한을 부여하는 모드와, 코드가 입출력 장치 및 기타 일부 하드웨어 시설에 직접 접근하는 것을 막는 모드로 나뉘었다. 전자는 감독자 상태 (System/360), 실행 모드 (PDP-6/PDP-10), 마스터 모드 (GE-600 시리즈), 제어 모드 (B5000 시리즈), 제어 상태 (B6500 시리즈) 등으로 불렸다. 후자는 문제 상태 (System/360), 사용자 모드 (PDP-6/PDP-10), 슬레이브 모드 (GE-600 시리즈), 일반 상태 (B6500 시리즈) 등으로 불렸으며, B5000 시리즈에는 여러 개의 비제어 모드가 있었다.

포펙과 골드버그의 가상화 요구를 충족하는 하드웨어를 사용하면 가상 머신을 효율적으로 지원하는 소프트웨어 작성이 훨씬 간단해진다. 이러한 시스템은 슈퍼바이저 모드에서 실행되고 있다고 믿지만 실제로는 사용자 모드에서 실행되는 소프트웨어를 실행할 수 있다.

3. 1. 링 기반 보안

3. 2. RISC-V 아키텍처

4. CPU 모드와 소프트웨어의 관계

CPU 모드는 운영 체제와 밀접하게 상호 작용한다. 대부분의 최신 CPU 하드웨어 아키텍처는 운영 체제가 활용하는 것 이상의 유연성을 제공한다. CPU 모드를 적절히 활용하려면 CPU와 운영 체제의 긴밀한 협력이 필요하며, 이는 운영 체제와 CPU 아키텍처를 서로 묶는 경향이 있다. 운영 체제와 CPU가 서로를 고려하여 설계된 경우(예: Multics)에는 문제가 없지만, 운영 체제가 여러 CPU에서 동작하도록 설계된 경우(예: Windows NT)에는 CPU 모드 기능을 충분히 활용하지 못할 수 있다.

CPU 동작 모드를 구분하는 궁극적인 목적은 소프트웨어로 인한 시스템 환경의 우발적 또는 고의적 손상(및 관련 시스템 보안 위반)으로부터 하드웨어를 보호하는 것이다. 신뢰할 수 있는 시스템 소프트웨어만이 커널 모드에서 동작하도록 허용되며, 다른 모든 소프트웨어는 사용자 모드에서 실행된다. 사용자 모드에서 오류나 예외가 발생해도 시스템 안정성에 큰 영향을 주지 않지만, 커널 모드에서 오류나 예외가 발생하면 시스템이 정지될 수 있다.

CPU는 커널 모드와 사용자 모드를 가진다. 커널 모드에서는 CPU가 아키텍처에서 허용하는 모든 작업을 수행할 수 있어, 모든 명령을 실행하고, 입출력 작업을 시작하고, 메모리 영역에 접근할 수 있다. 반면 사용자 모드에서는 하드웨어에 의해 CPU 작업에 특정 제한이 적용된다. 일반적으로 특정 명령(특히 입출력 작업 포함)이 허용되지 않으며, 일부 메모리 영역에 접근할 수 없다.

일부 CPU 아키텍처는 여러 사용자 모드를 지원하며, 링 기반 보안을 갖추고 있다. Multics 하드웨어는 링 보안의 첫 번째 주요 구현이었으며, 인텔 80286 보호 모드 및 IA-64를 포함한 다른 많은 하드웨어 플랫폼도 유사하게 설계되었다.

모드 보호는 CPU 하드웨어 자체를 넘어 가상 메모리 레지스터, 페이지 테이블 항목 등 다른 리소스에도 확장될 수 있다. 예를 들어, CPU는 링 0에서 작동하더라도 메모리 접근 시 가상 메모리 세그먼트나 실제 페이지에 대한 별도의 링 번호에 따라 추가 검증을 받을 수 있다. 이는 PSP 휴대용 시스템에서 증명되었다.

Popek과 Goldberg 가상화 요구 사항을 충족하는 하드웨어를 사용하면 가상 머신을 효율적으로 지원하는 소프트웨어를 쉽게 작성할 수 있다. 이러한 시스템은 슈퍼바이저 모드에서 실행된다고 믿는 소프트웨어를 사용자 모드에서 실행할 수 있게 한다.

4. 1. 시스템 호출

5. CPU 모드와 메모리 보호

CPU는 커널 모드와 사용자 모드라는 두 가지 주요 모드로 작동한다. 커널 모드에서 CPU는 시스템의 모든 작업을 수행할 수 있지만, 사용자 모드에서는 특정 작업 및 메모리 영역에 대한 접근이 제한된다. 이러한 제한은 시스템의 안정성과 보안을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

• 커널 모드: CPU는 아키텍처에서 허용하는 모든 작업을 수행할 수 있다. 모든 명령을 실행하고, 입출력(I/O) 작업을 시작하며, 모든 메모리 영역에 접근할 수 있다.
• 사용자 모드: 하드웨어에 의해 CPU 작업에 특정 제한이 적용된다. 일반적으로 특정 명령(특히 시스템의 전역 상태를 변경할 수 있는 I/O 작업 포함)은 허용되지 않으며, 일부 메모리 영역에는 접근할 수 없다.

5. 1. 가상 메모리

6. 한국 IT 환경에서의 CPU 모드

대부분의 CPU 하드웨어 아키텍처는 운영 체제가 활용하는 것 이상의 유연성을 가지고 있다. 복잡한 CPU 모드를 적절히 활용하려면 CPU와 운영 체제의 긴밀한 협력이 필요하며, 이는 운영 체제와 CPU 아키텍처를 서로 묶는 경향이 있다. Multics와 같이 운영 체제와 CPU가 서로를 고려하여 설계된 경우에는 문제가 없지만, Windows NT처럼 여러 CPU에서 동작하도록 설계된 운영 체제는 CPU 모드 기능을 모두 활용하지 못하는 경우가 많다.^[1]

CPU 모드를 구분하는 목적은 소프트웨어로 인한 시스템 손상 및 보안 위반을 막는 것이다. 신뢰할 수 있는 시스템 소프트웨어만 커널 모드에서 동작하고, 나머지는 사용자 모드에서 실행된다. 사용자 모드에서 오류가 발생해도 시스템 안정성에 큰 영향은 없지만, 커널 모드 오류는 시스템 정지를 유발할 수 있다. 모드 계층(링 보호)이 있으면, 특정 레벨의 오류는 상위 레벨에 영향을 주지 않지만, 하위 레벨에는 영향을 준다.

실행 중인 스레드의 CPU 모드 변경은 높은 권한에서 낮은 권한으로는 자유롭지만, 낮은 권한에서 높은 권한으로 변경하려면 특수한 명령어를 통해 하드웨어가 제어하는 "게이트"를 통과해야 한다. (시스템 콜) 마이크로커널 운영 체제는 특권 모드 코드 양을 최소화하여 보안을 높이려 한다.

6. 1. 임베디드 시스템

6. 2. 클라우드 컴퓨팅

6. 3. 사이버 보안

참조

_[1] 웹사이트 Processor Modes http://flint.cs.yale[...] 2023-08-23
_[2] 웹사이트 User mode and kernel mode - Windows drivers https://learn.micros[...] 2022-11-04
_[3] 서적 Digital Design and Computer Architecture, RISC-V Edition https://books.google[...] Morgan Kaufmann 2021-07-12
_[4] 문서