운영체제란?
운영체제(OS, Operationg System) : 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
주요 운영체제: Window, UNIX 계열 OS(리눅스), MacOS
펌웨어(Firmware)
- 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
| CPU 스케줄링과 프로세스 관리 | - CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지(CPU 스케줄러) - 프로세스의 생성과 삭제 - 자원 할당 및 반환 관리 |
| 메모리 관리 | 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마나 할당해야하는 지 관리 |
| 디스크 파일 관리 | 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리 |
| I/O 디바이스 관리 | I/O 디바이스(마우스, 키보드 등)와 컴퓨터 간에 데이터 주고 받는 것 관리 |
운영체제의 구조
- 유저 프로그램(응용 프로그램)
- 인터페이스(Shell)
- 시스템 콜(라이브러리 + 시스템 콜)
- 커널
- 드라이버
- 하드웨어
운영체제는 앞서 윈도우, 유닉스, 맥 과 같이 하나의 큰 단위가 아니라
더 정확하게 언급하면 kernel이 운영체제이다.
kernel과 여러가지를 덧붙인 것을 OS라고 통칭하는 것.
유저 프로그램 : 워드, 웹브라우저 등 사용자가 컴퓨터를 활용하도록 작성된 다양한 프로그램.
소프트웨어, 응용프로그램( Application)이라고도 불리움.
인터페이스 : 시스템을 사용할 때, 사용자가 보다 편리하게 컴퓨터와 상호작용을 하기 위한 장치나 기법.
상호작용 = 컴퓨터에 명령을 내리고 컴퓨터가 사용자에게 명령을 수행한 결과를 알려주는 일련의 과정
쉘(Shell)
- 사용자가 운영체제 기능과 서비스를 조작할 수 있도록 인터페이스를 제공하는 프로그램
- CUI Shell
- 유닉스 쉘
- 본 쉘(sh) - Almquist shell(ash), Bash
- C 쉘(csh)
- 콘 쉘(ksh)
- 스키마 쉘(scsh)
- Z 쉘(zsh)
- 유닉스 쉘
- GUI Shell
- 마이크로소프트 환경
- 윈도 탐색기
- 라이스트텝
- 파워쉘
- 매킨토시 파인더
- 마이크로소프트 환경
- GUI(Graphic User Interface) : 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 등 전자장치와의 상호 작용을 할 수 있는 사용자 인터페이스.
ex> PC의 하단 바
- CUI(Charater User Interface) : 그래픽이 아닌 명령어(텍스트)로 처리하는 인터페이스 CLI(Command Line Interface) 라고 부르기도 함.
ex> CMD, ubuntu
시스템 콜 :
- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며
유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 씀.
- 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단함.
예시> 파일 시스템의 파일을 읽을 때 시스템 콜 사용
유저 프로그램(modebit: 1)이 I/O요청(ex. 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일)으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드(modebit: 0)로 변환되어 실행된다.
커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 함.
드라이버 : 커널과 하드웨어의 인터페이스를 담당(== 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어)하며 디바이스 드라이버라고도 불림.
마우스와 같이 간단한 제품은 드라이버를 커널이 가지고 있으나, 그래픽카드와 같이 복잡한 하드웨어의 경우 제작자가 드라이버를 제공한다.
하드웨어 : 기본적인 컴퓨터 시스템 자원을 의미함.
중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 기억 장치(memory device), 입력 장치(input device), 출력 장치(output device)로 구분됨.
운영체제가 필요한 이유?
운영체제가 없다면
- 응용프로그램이나 사용자가 직접 하드웨어를 제어해야 함
- 하드웨어에 대한 지식, 충돌, 관리, 보안의 문제 발생
운영체제의 필요성 : 자원에 대한 충돌 해결, 성능 최적화, 사용자의 시스템 사용의 효율화
운영체제 만드는 방법
1. 운영체제를 개발 (kernel)
2. 시스템 콜을 개발
3. 시스템콜 기반, 프로그래밍 언어별 라이브러리 (API) 개발
4. Shell 프로그램 개발
5. 응용 프로그램 개발
유저 모드(User Mode), 커널 모드(Kernel Mode)
유저모드(User Mode)
- Kernel 모드에 비해 낮은 권한의 실행 모드
접근 간의 자원 영역을 제한적으로 두는 모드
- 애플리케이션이 실행되는 모드
- Privilege 명령어 실행 불가능
- modebit : 1
커널 모드(Kernel Mode)
- 모든 자원에 대해 접근할 수 있는 권한을 가진 실행 모드
- 운영체제가 실행되는 모드
- Privilege 명령어 실행 및 레지스터 접근 가능
- modebit : 0
운영체제를 통해 카메라 프로그램이 작동하는 모습
시스템콜이 작동될때 modebit을 참고해서 유저모드와 커널 모드를 구분하며 modebit은 1또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. 만일 카메라를 켜는 프로그램이 있을 경우 유저모드를 기반으로 켜진다면 사용자가 의도하지 않았음에도 공격자가 카메라를 킬 수 있는 문제가 생김. 커널모드로 100% 막을 수 없지만 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉬움.
컴퓨터의 요소(== 하드웨어)
컴퓨터의 요소는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.
| CPU | - CPU(Central Processing Unit)은 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit), 제어장치(CU, ControlUnit), 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치 - 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 컴퓨터의 일꾼 |
| DMA 컨트롤러 | - I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 도와주는 하드웨어 장치 - CPU에만 많은 인터럽트 요청이 들어올 때 CPU 부하를 막아줌 - CPU의 보조 일꾼 - 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지 |
| 메모리 | - 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치 - RAM(Random Access Memory)를 메모리라고 칭함. - CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당 비유> 공장에서 CPU = 일꾼, 메모리 = 작업장 메모리가 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있음. |
| 타이머 | - 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로프램에 시간 제한을 줌. - 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재 |
| 디바이스 컨트롤러 ( device controller) |
- 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU - 옆에 붙어있는 로컬 버퍼 = 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하는 작은 메모리 |
CPU
| 산술논리연산장치 (ALU) |
덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산 하는 디지털 회로 |
| 제어장치 | - 프로세스를 조작을 지시하는 CPU의 한 부품. - 입출력장치 간 통신을 제어함. - 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정함. |
| 레지스터 | - CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치 - CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름. - CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달 |
CPU의 연산 처리
1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 로드함.
2. 제어장치가 산술논리연산장치에게 레지스터에 있는 값을 계산하라고 명령함.
3. 제어장치가 2번에서 계산된 값을 메모리에 다시 저장함.
CPU와 인터럽트
인터럽트: 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지 시키는 것을 말함.
종류: 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트
| 하드웨어 인터럽트 | 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트 |
| 소프트웨어 인터럽트 [트랩(trap)] |
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발생하는 인터럽트 |
예시: 키보드, 마우스 등 IO디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류
만약 2개 이상의 I/O 장치들이 동시에 인터럽트를 요구한다면?
각 I/O 장치들에 대한 우선순위를 정하고, 더 높은 우선순위를 가진 장치의 인터럽트부터 처리한다.
과정
1. 인터럽트가 발생하면 CPU가 현재 진행하고 있는 프로세스를 저장해둠.
2. 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 백터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨.
핸들러 함수가 ISR(Interrupt Service Rouine)으로 인터럽트 처리동작을 수행함.
3. 수행이 완료되면 CPU가 이전에 저장해둔 프로세스를 다시 진행함.
면접을 위한 CS 전공지식 노트 - 주홍철 지음를 참조하여 공부하며 작성한 글입니다.
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