[ 면접을 위한 cs 전공지식 노트 정리 ] 3.운영체제 : 운영체제와 컴퓨터

(출처 :  https://www.inflearn.com/course/%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%9E%90-%EB%A9%B4%EC%A0%91-cs-%ED%8A%B9%EA%B0%95)

 

운영체제(OS, Operating System)란?

사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스로, 메모리의 커널영역에 적재되며, 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는다.
운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어(firmware)라고 한다.
 

운영체제를 알아야 하는 이유?

하드웨어와 응용 프로그램 사이에 위치해 있는 운영체제는 개발 시 하드웨어에 접근하는 코드를 직접 짜지않게 해주는 역할을 하는데, 이러한 운영체제 없이 프로그램을 개발할 수 없기 때문이다.
 

3.1 운영체제와 컴퓨터

3.1.1 운영체제의 역할과 구조
3.1.2 컴퓨터의 요소

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3.1 운영체제와 컴퓨터

3.1.1 운영체제의 역할과 구조

• 운영체제의 역할

1. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
2. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
4. I/O 디바이스 관리 : 마우스, 키보드와 같이 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
   
   

* 커널(kernel)?
운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분으로 마치 사람의 심장과 같은 역할을 한다.
(운영체제에는 속하지만 커널에는 속하지 않는 기능 : GUI/CUI ( 사용자와 컴퓨터 간의 통로일 뿐 운영체제의 핵심 기능(커널)은 아님)

* 이중모드와 시스템 호출
자원의 안전을 위해 운영체제가 자원 접근을 대행하는데 이 말인 즉슨, 응용 프로그램이 자원에 접근하려면 운영체제의 코드를 실행해야 한다는 것이다.

이중모드란 CPU가 명령어를 실행하는 모드를 사용자모드와 커널모드로 구분하는 방식이다.
시스템 호출시에는 > 커널모드로 변환됨(일종의 소프트웨어 인터럽트! 이미 내부에 운영체제마다 시스템 호출 명령어와 역할이 정해져 있음)

* 운영체제의 핵심 서비스

1. 프로세스 관리
동시다발적으로 실행/생성/삭제되는 다양한 프로세스를 일목요연하게 관리 
- 프로세스와 스레드, 프로세스 동기화, 교착상태 해결

2. 자원 접근 및 할당
1) CPU 
- CPU 스케줄링 ( 어떤 프로세스를 먼저, 얼마나 오래 실행할까?)
2) 메모리
- 페이징, 스와핑..
3) 입출력장치

3.파일 시스템 관리
관련된 정보를 파일이라는 단위로 저장 장치에 보관
파일들을 묶어 폴더(디렉토리 단위로 저장 장치에 보관

 

• 운영체제의 구조
  
  GUI/CUI, 시스템콜, 커널, 드라이버를 운영체제라고 한다.
  
  * GUI(Graphical User Interface, 그래픽 사용자 인터페이스)
  사용자가 전자장치와 상호작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 형태로 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 동작으로 컴퓨터와 상호작용 할 수 있게 해준다.
  
  * CUI(Character User Interface, 문자(콘솔) 사용자 인터페이스)
  그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스를 뜻한다.
  
  * 드라이버
  하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어를 뜻한다.

• 시스템콜
  운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.
  유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
  
  예를들어 I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동했다면 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.
  
  프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.
  이 시스템콜은 하나의 추상화 계층으로, 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
  
  
  * modebit
  1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수로, 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드(1, 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드)와 커널 모드(0, 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드)를 구분한다.

 

3.1.2 컴퓨터의 요소
 

• CPU(Central Processing Unit)
  산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.
  관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.
  
  
• 제어장치(CU, Control Unit)
  프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
  입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
  
  
• 레지스터
  CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다.
  CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배 빠르며, 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
  ➊ 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 로드한다.
  ➋ 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
  ➌ 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다.
  
  
• 인터럽트
  어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.
  키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.
  인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수(인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수, 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음)가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
  
  * 하드웨어 인터럽트
  키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
  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 하며 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
  
  
• DMA 컨트롤러
  I/O디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다.
  CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼의 개념이며, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
  
  
• 메모리
  전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며 보통 RAM(Random Access Memory)를 일컬어 메모리라고도 한다. CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다.
  
  
• 타이머
  몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 하며, 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.
  
  
• 디바이스 컨트롤러
  컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.