[CS] 운영체제와 컴퓨터

운영체제 (OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게

 

도움을 주는 인터페이스이다

 

한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 일꾼이라고 볼 수 있다

 

참고로 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는것을

 

펌웨어 (firmware) 라고 한다

 

하드웨어와 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 일꾼인 운영체제와

 

CPU, 메모리 등으로 이루어진 컴퓨터를 알아보자

 

1. 운영체제의 역할

1) CPU 스케줄링과 프로세스 관리

CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제,

자원 할당 및 반환을 관리한다

 

2) 메모리 관리

한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다

 

3) 디스크 파일 관리

디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다

 

4) I/O 디바이스 관리

I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다

 

2. 운영체제의 구조

유저 프로그램

GUI

시스템콜

커널

드라이버

하드웨어

 

가운데 GUI 부터 드라이버 까지가 운영체제이다

참고로 GUI가 없고 CLI만 있는 리눅스 서버도 있다

 

 

GUI

사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태이다

단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로

컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해준다

 

드라이버

하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

CLI

그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

 

시스템콜

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며

유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다

 

유저 프로그램 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면

올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다

 

예를 들어 I/O 요청인 fs.readFile() 이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동된다고 해보자

이때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가

그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다

이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고

프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다

 

I/O 요청

입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일접근 등에 관한 일

 

 

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는

인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다

 

이 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다

그렇기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은

낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다

 

Modebit

시스템 콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저모드와 커널모드를 구분한다

modebit은 0 또는 1의 값을 가지는 플래그 변수이다

카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다

modebit의 0은 커널모드, 1은 유저모드라고 설정되며

유저 모드일 경우에는 시스템콜을 못하게 막아서 한정된 일만 가능하게 하는 것이다

 

유저 모드

유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에

함부로 침범하지 못하는 모드

 

커널 모드

모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

 

커널

운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스,

파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다

 

3. 컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다

 

CPU (Central Processing Unit)

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어있는 컴퓨터 장치를 말한다

인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다

 

관리자 역할을 하는 OS가 커널 프로그램을 통해 HDD나 SDD에 있는 프로그램으로 접근하고

그 프로그램을 RAM 메모리에 올려서 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 처리한다

 

 

제어장치 (CU, Control Unit)

프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다

입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며

데이터 처리를 위한 순서를 결정한다

 

레지스터

CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다

CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배 까지 빠르다

CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다

 

산술논리연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)

덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은

논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다

 

CPU의 연산 처리 과정

1) 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다, 또한 레지스터에도 로드한다

2) 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다

3) 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다

 

 

인터럽트

어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는것을 말한다

키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트

0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트

프로세스 오류 등으로 발생한다

 

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는

인터럽트 백터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다

인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며

인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두가지로 나뉜다

 

인터럽트 핸들러 함수

인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수이다

커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록한다

 

하드웨어 인터럽트

키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트다

이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고

운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는

작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다

 

소프트웨어 인터럽트

트랩 (trap)이라고도 한다 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다

 

DMA (Direct Memory Access) 컨트롤러 

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 된다또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는것을 방지한다

 

 

메모리 (Memory)

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말한다보통 RAM(Random Access Memory)을

일컬어 메모리라고도 한다CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다

 

공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고 메모리는 작업장이며작업장의 크기가 곧 메모리의 크기이다작업장이

클수록 창고에서 물건을 많이 가져다 놓고 많은 일을 할 수 있듯이메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에

할 수 있다

 

타이머 (Timer)

몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다

시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다

 

디바이스 컨트롤러 (Device Controller)

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다