운영체제와 컴퓨터

운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스를 말한다.

1. 운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
2. 메모리 관리
3. 디스크 파일 관리
4. I/O 디바이스 관리

운영체제의 구조

운영체제는 유저 프로그램과 하드웨어 사이의 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분으로 이루어져있다.

1. GUI

사용자가 전자 장치와 상호작용 할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태를 말한다.

GUI vs CUI ?
GUI => 그래픽으로 처리하는 인터페이스 (더블 클릭 등)
CUI => 명령어로 처리하는 인터페이스

2. 시스템콜

시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스를 말한다. 사용자 모드와 커널 모드의 다리 역할을 한다.

• 커널 모드 : 커널 및 커널에 붙는 드라이버들이 작동되는 영역으로 모든 컴퓨터 리소스에 접근할 수 있다.

• 사용자 모드 : 일반 프로그램들이 작동되는 영역으로 컴퓨터 리소스에 제한적으로 접근이 가능하고 프로그램들은 프로세스로 작동한다.

사용자 모드와 커널 모드를 구분하는 이유?
컴퓨터 자원에 대한 직접 접근(공격자가 카메라에 접근하는 경우 등)을 차단할 수 있고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있기 때문에

• modebit
  시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분하는데, modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저 모드로 설정된다.
  
  

3. 커널

운영체제의 핵심 부분이자 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

4. 드라이버

컴퓨터에서 하드웨어 장치를 운영 체제에 연결하기 위해 필요한 소프트웨어. 하드웨어의 기능을 추상화하는 역할이 주 목적이다.

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2. 컴퓨터의 요소

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

CPU

CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말한다.

컴퓨터에서 기억, 해석, 연산, 제어라는 4대 주요 기능을 담당하며, 컴퓨터의 대뇌 역할을 한다고 보면 된다.

• 산술논리연산장치(ALU)
  덧셈, 뺄셈 같은 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
  

• 제어장치(CU)
  프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품.
  입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

• 레지스터
  레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 말한다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

(1) 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드한다.

(2) 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.

(3) 제어장치가 계산된 값을 다시 **레지스터에서 메모리로** 계산한 값을 저장한다.

• 인터럽트
  인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠시 정지시키는 것을 말한다.
  인터럽트에는 우선순위가 있으며 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두가지로 나뉜다.

  인터럽트 우선 순위 ? 일반적으로 하드웨어 인터럽트가 소프트웨어 인터럽트보다 우선 순위가 높다.

  • 하드웨어 인터럽트
    키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
    
    
  • 소프트웨어 인터럽트
    프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
    
    

DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 말한다.
CPU의 보조 일꾼이라고 보면 된다.
CPU의 부하를 막아주며 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

보통 RAM을 일컬어 메모리라고 하며, 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말한다.
CPU가 일꾼이라면 메모리는 작업장이라고 할 수 있다. 작업장이 클수록 일꾼과 물건이 많이 들어갈 수 있으므로 메모리가 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

타이머는 시간이 많이 걸리는 프로그램에 시간 제한을 거는 역할을 한다.

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.