RISC-V 기반 Zig 언어로 구현한 시분할 운영체제 커널 프로토타입: unikernel과 컨텍스트 스위치의 원리 탐구

핵심 기술

본 콘텐츠는 RISC-V 아키텍처 기반으로 Zig 언어를 사용하여 시분할 운영체제 커널 프로토타입을 구현한 경험을 공유합니다. unikernel 접근 방식과 타이머 인터럽트를 통한 컨텍스트 스위칭 메커니즘에 대한 심층적인 분석을 제공합니다.

기술적 세부사항

• 아키텍처: RISC-V 아키텍처를 채택하며, M/S/U 모드 중 OpenSBI는 M-모드, 커널은 S-모드, 사용자 코드는 U-모드에서 동작합니다.
• 구현 언어: C 대신 Zig 언어를 사용하여 재현성과 단순성을 높였습니다.
• 커널 접근: 애플리케이션과 OS 커널을 단일 실행 파일로 링크하는 unikernel 방식을 채택했습니다.
• 인터럽트 및 스케줄링: 타이머 인터럽트를 활용하여 시분할 스케줄링 및 컨텍스트 스위칭을 구현합니다.
• 컨텍스트 스위칭: 스택 프레임을 교체하여 다른 스레드의 레지스터 집합과 CSR(Control and Status Registers)을 복원함으로써 흐름을 전환하는 핵심 기법을 설명합니다.
• 시스템 호출: U-모드에서 S-모드로 전환하기 위한 ECALL 기반 시스템 호출 메커니즘을 사용합니다.
• I/O 및 하드웨어 추상화: 콘솔 출력 및 타이머 제어를 위해 OpenSBI를 활용하며, 필요시 UART MMIO 폴백을 지원합니다.
• 스레드 관리: 정적 스레드만 지원하며, 스레드는 U-모드에서 실행되고 종료하지 않는 함수로 구성됩니다.
• 교육 환경: QEMU 가상 머신과 최신 OpenSBI를 기반으로 누구나 재현 가능한 학습 환경을 제공합니다.
• 소스 코드: 최종 코드는 popovicu/zig-time-sharing-kernel GitHub 저장소에 공개되어 있습니다.

개발 임팩트

• 운영체제 커널의 저수준 동작 원리, 특히 컨텍스트 스위칭과 권한 분리(S-mode/U-mode)에 대한 깊이 있는 이해를 제공합니다.
• RISC-V 아키텍처의 특성과 Zig 언어의 활용 가능성을 보여주며, 새로운 시스템 프로그래밍 환경에 대한 경험을 쌓을 수 있습니다.
• Unikernel 아키텍처의 장점(배포 단순성, 환경 일관성)을 이해하고 실습할 기회를 제공합니다.
• 스레드, 프로세스, 컨테이너, VM으로 이어지는 가상화 스펙트럼을 개념적으로 연결하여 학습 효과를 높입니다.

커뮤니티 반응

• Hacker News 등 커뮤니티에서는 RISC-V와 Zig 언어의 조합, 그리고 unikernel 접근 방식에 대한 긍정적인 반응이 있었습니다.
• 운영체제 개발 입문자에게 좋은 학습 자료가 될 수 있다는 의견과 함께, C나 Rust로도 유사한 구현이 가능할 것이라는 논의가 있었습니다.
• 일부 사용자는 x86 아키텍처 대비 RISC-V의 접근성과 문서의 우수성을 언급하며, 이러한 프로젝트에 대한 경험을 공유하기도 했습니다.
• 미니멀리즘 커널 구현의 가치와 함께, 과거의 OS 개발 경험과 연결 짓는 시각도 제시되었습니다.