운영체제란 ?

• 맥 OS, 윈도우, 리눅스, 유닉스 등을 운영체제라 부른다.
• 운영체제 또한 소프트웨어이다.
  • 하드웨어의 자원을 효율적으로 관리하며 사용자가 컴퓨터를 편리하게 사용할 수 있도록 해주는 인터페이스
    • 메모리, 시스템 자원 등을 효율적으로 분배해주는 일꾼
  • 즉, 컴퓨터 사용자와 하드웨어 간의 인터페이스로써 동작하는 시스템 소프트웨어의 일종
  • Application이 하드웨어를 직접 다루는 것은 어려우니 OS가 중간다리 역할을 한다.
    - Application: 한글, 엑셀, 메모장 등 프로그램들
    

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운영체제의 목적

운영체제 성능 평가 기준

• 처리능력 (Throughput) : 일정 시간 내에 시스템이 처리하는 일의 양
• 반환시간 (Turn Around Time) : 작업이 완료되기까지 걸린 식나
• 사용기능도 (Availability) : 시스템을 사용할 필요가 있을 때 즉시 사용 가능한 정도
• 신뢰도 (Reliability) : 시스템이 문제를 얼마나 정확하게 해결하는지를 나타내는 정도

운영체제의 목적은 처리능력 향상, 반환시간 단축, 사용기능도 향상, 신뢰도 향상이라 볼 수 있다.

운영체제의 구성

• 제어프로그램(control) - 컴퓨터 내부 정보 및 자원을 제어, 상태를 감시하고 실행 과정을 지시 및 관리
  • 감시 프로그램 - 시스템 전체 동작 상태를 감독 및 지원
    • 수퍼바이저 (Supervisor) : 시스템의 모든 동작 상태를 관리 및 감독하는 제어프로그램
  • 작업 관리 프로그램 - 어떤 작업을 처리하고 다음 작업 이행을 위한 준비 및 처리
  • 데이터 관리 프로그램 - 메인메모리 및 외부 보조 기억 장치 사이 데이터 전송 등
• 처리프로그램(process) - 실제 데이터 처리를 실행하고 결과를 보여줌
  • 언어 번역 프로그램 - 프로그램을 컴퓨터가 알 수 있는 기계어로 변역시키는 프로그램
    • 컴파일러, 어셈블러, 인터프리터 등
  • 서비스 프로그램 - 사용 빈도 높은 프로그램을 개발하여 놓은 프로그램
    • 디버깅 프로그램, 정렬 프로그램, 라이브러리 등
  • 문제 처리 프로그램 - 사용자가 필요한 업무에 맞도록 개발한 프로그램

    • 급여 관리, 인사 관리, 회계 관리 등

      
      
      

운영체제의 역할

프로세스 관리

• 현재 프로세서(CPU)를 점유할 프로세스를 정하고, 실제로 CPU를 프로세스에 할당, 프로세스 간 공유 자원 접근 및 통신을 관리
• cf) 프로세스란 운영체제에서 동작하는 응용 프로그램
• cf) 프로세서 (CPU)와 프로세스는 다름
• 프로세스, 스레드, 스케줄링, 동기화, ICP 통신 등을 담당

저장장치 관리

• 주기억 장치 (Main Memory) 및 보조기억장치 (하드디스크)를 관리하는 기능
• 주기억장치
  • 프로세스에 할당하는 메모리 할당 및 해제
  • 메모리 간 침범 방지
  • 가상메모리 사용
• 보조기억장치
  • 파일 형식으로 데이터 저장
  • 파일 시스템 관리
• 메모리 관리, 가상 메모리 사용, 파일 시스템 등을 담당

네트워킹

• 응용 프로그램이 네트워크를 사용하려면, 운영체제에서 네트워크 프로토콜을 지원해야함
• TCP/IP, 기타 프로토콜

사용자 관리

• 한 컴퓨터를 여러 사람이 사용하는 환경도 지원
• 각 계정을 관리하는 기능
  • 계정 관리
  • 접근 권한 관리

디바이스 드라이버

• 시스템에 여러 하드웨어가 붙어있음
• 이를 운영체제에서 사용할 수 있도록 해야함
• 이를 가능하게 하게끔 중간 interface 역할을 하는 것이 디바이스 드라이버

커널(Kernel) 이란?

• 컴퓨터 전원을 켜면 운영체제가 동시에 수행됨
• 그러나 운영체제와 같이 큰 프로그램을 모두 메모리에 로드할 시 메모리 낭비가 심각함
• 따라서 항상 필요한 부분만 전원 켜짐과 동시에 메모리에 올려두고, 그 외에는 필요할 때 메모리에 로드
• 이때 메모리에 로드되는 부분을 커널이라고 함
• 즉, 커널은 메모리에 항상 상주하는 부분으로 운영체제의 핵심적인 부분을 뜻함

Dual 모드란?

✨ Dual 모드는 말 그대로 모드를 아래와 같이 둘로 나누는 것이다.

• 사용자(User) 모드
• 커널(Kernel) 모드 = 관리자(Supervisor) 모드 = 시스템(system) 모드 = 모니터(monitor) 모드 = 특권(privileged) 모드

• CPU(프로세서)는 Application이 시스템을 손상시키는 것을 방지하기 위해 몇가지 모드를 제공한다. CPU 내부의 레지스터(register)의 modebit로 구분하여 0은 ‘커널모드’, 1은 ‘사용자 모드’로 나눠서 작동한다.

• 사용자가 하드웨어의 자원에 접근하는 것은 매우 위험하므로 모두 커널 모드로 운영체제에서 처리하도록 한다.

• 파일을 입출력, 메세지 출력 등 많은 부분에 커널 모드를 사용한다.

• 프로그램에서 소프트웨어 인터럽트를 발생시켜 운영체제에 위임한다.

사용자모드(User Mode)

• 사용자 모드에서 사용자 Application 코드가 실행될 때, 하드웨어에 접근할 수 없다.
• 접근을 하기 위해서는 시스템 콜을 사용해야한다.

커널모드

• 운영체제가 CPU를 사용하는 모드이다. 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환이 되면, 하드웨어를 제어하는 명령어(Privileged Instructions)를 실행한다. Privileged Instructions는 STOP, HALT, RESET, SET_TIMER 등이 있다. 만약 사용자 모드에서 특권 명령을 사용하려고 하면 CPU에서 내부 인터럽트(Exception)를 발생시켜 해당 명령어를 요청한 프로그램을 강제로 종료시킨다.

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시스템 콜

• OS는 직접 하드웨어를 관리할 수 있는 반면, 응용 프로그램 들은 OS가 제공하는 인터페이스를 통해서만 자원에 접근이 가능하다. 이러한 인터페이스를 시스템 콜이라 한다.
• 시스템 콜은 커널 영역의 기능을 사용자 모드에서도 사용 가능하게 해준다.
• 즉, 프로세스가 하드웨어에 직접 접근하여 필요한 기능을 사용할 수 있게끔 해준다.
• 추가적으로, 시스템 콜은 소프트웨어 인터럽트의 한 종류이다.
• 소프트웨어 인터럽트에는 고유한 번호가 존재한다.
• 이러한 고유한 번호는 IDT(Interrupt Descriptor Table)이라는 곳에 저장되어 잇다.
• 인터럽트가 발생하면 IDTR 레지스터에 IDT 위치가 명시되어 있고, 이를 통해 확인 및 처리한다.

시스템 콜의 종류

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시스템 콜의 예시

1. 라이브러리 함수(prinf)를 호출한다.
2. 시스템 콜 write()를 호출한다.
3. eax 레지스터에 해당 시스템 콜의 인덱스(4)를 저장한다.
4. 0x80 인터럽트를 발생시킨다. -> 커널 모드로 전환
5. IDT를 참조하여 system_call()을 호출한다
6. eax 레지스터에 저장되어 있는 시스템 콜 인덱스를 system_call 함수로 전달한다.
7. sys_call_table에서 인덱스에 맞는 sys_write를 호출한다.
8. 작업을 마친 뒤 사용자 모드로 돌아간다.

컴퓨터 기본구조

예상질문

• 시스템 콜이 무엇인지 설명해 주세요.
• 우리가 사용하는 시스템 콜의 예시를 들어주세요.
• 시스템 콜이, 운영체제에서 어떤 과정으로 실행되는지 설명해 주세요.
• 시스템 콜의 유형에 대해 설명해 주세요.
• 운영체제의 Dual Mode 에 대해 설명해 주세요.
• 서로 다른 시스템 콜을 어떻게 구분할 수 있는지 설명해 주세요.

출처

• https://github.com/JulSaMo/CS-start/blob/main/Computer Science/Operating System/운영체제.md
• https://didu-story.tistory.com/311