운영체제

운영체제(OS)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 역할을 한다. 참고로 운영체제와 유사하나 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어라고 한다.

 

운영체제의 역할과 구조

• 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 디바우스들은 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
• 운영체제의 구조
  • 유저 프로그램 - GUI - 시스템콜 - 커널 - 드라이버 - 하드웨어로 이루어져 있고, 여기서 GUI - 시스템콜 - 커널 - 드라이버 부분이 운영체제를 지칭한다. GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있다.
  • GUI - 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해준다.
  • 드라이버 - 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
  • CUI - 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
  • 시스템콜 - 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다. 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다. 하나의 추상화 계층이기 때문에 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.
    • modebit - 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. 유저 모드를 기반으로 장치가 작동한다면 공격자가 사용자의 의도와 상관없이 장치를 다룰 수 있기 때문이다. 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다고 해도 무조건 막을 수 있는 것은 아니지만, 적어도 막기는 쉬워진다. 이를 위한 장치가 바로 modebit이다.
    • 유저 모드 - 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 봇하는 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 일을 한다.
• 컴퓨터의 요소
  • CPU
    • 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.
    • 제어장치 - 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
    • 레지스터 - CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치. CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
    • 산술논리연산장치 - 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.
    • CPU의 연산 처리 예시
      1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고, 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 정지시키는 것을 말한다. 키보드, 마우스 등 IO 디바이로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.
      • 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
      • 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
      • 인터럽트 핸들러 함수 - 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수로, 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.
      • 하드웨어 인터럽트 - IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다. 이때 인터럽트는 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스가 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.
      • 소프트에어 인터럽트 - 트랩이라고 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
  • DMA 컨트롤러
    • I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다.
    • CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼같은 개념이다.
    • 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
  • 메모리
    • 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말한다.
    • 보통 RAM을 일컬어 메모리라고도 한다.
    • CPU가 계산을 담당한다면, 메모리는 기억을 담당한다.
    • 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.
  • 타이머
    • 몇 초안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다.
    • 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.
  • 디바이스 컨트롤러
    • 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.