01. 운영체제가 뭐길래?

• OS (Operating System, 운영체제) : 컴퓨터(하드웨어) 시스템을 운영하는 소프트웨어

• 컴퓨터 : 정보를 처리하는 기계

• 정보 : 불확실한 상황을 측정해서 그것을 수치적으로 표현한 것

• 정보의 최소 단위 : bit (binary digit)

  • 8 bit (2^8) : 1 Byte
  • 1024 bit (2^1024) : 1 MB

• 정보의 처리 : 정보의 상태 변환 ( 0에서 1로, 1에서 0으로)

  • 부울 대수(Boolean Algebra): NOT, AND, OR (트랜지스터로 논리 게이트를 만들 수 있음)

  • 논리게이트 : NOT, AND, OR, XOR, NAND, NOR

  • 논리 회로 : IC, LSI, VLSI, ULSI, SoC, ... (게이트들을 회로에 배치할 수 있음)

    • 무어의 법칙 : 집적도가 1년 6개월에 2배씩 늘어남
    • 황의 법칙 : 메모리가 1년에 두배씩 늘어남
    • 메모리의 용량과 칩의 집적도가 기하급수적으로 늘어났음
    • 이제는 더이상 집적하기 힘들어서 양자 컴퓨터에 대한 연구

• 정보의 저장: 플립-플롭

• 정보의 전송 : 데이터 버스, RF (Radio Frequency, 무선)

• 컴퓨터의 할아버지 (앨런튜링, Turing Machine)

  • 튜링 머신, 유니버설 튜링 머신, 헤드, 테이프
  • 응용 프로그램, 운영체제, CPU, 메모리

• 컴퓨터의 아버지 (폰노이만, Instruction Set Architecture)

  • 내장형 프로그램 방식(stored-program) 처음 도입
  • 프로그램을 RAM에 저장할 수 있음
  • 메모리에 있는 명령어를 fetch해와서 CPU에서 execute 하는 방식
  • 명령어 집합으로 컴퓨터를 운영하는 방식
  • 프로그램: 컴퓨터 하드웨어에게 어떤 특정 task를 실행시키는 명령어들의 집합

• 운영체제

  • 컴퓨터 시스템을 운영하는 소프트웨어
  • 운영체제는 컴퓨터에서 항상 실행 중인 프로그램
  • 기본적으로 하드웨어 전체를 컨트롤하는 운영체제가 탑재가 돼있음
  • 시스템 서비스를 애플리케이션 프로그램에게 제공해줌
  • 운영체제가 해야할 일은 프로세스를 관리하고 리소스(파일, 프린터, input, output), 유저 인터페이스(마우스, 키보드) 등 관리해줘야함
  • H/W device <- OS (window, linux, mac os) -> App

02. 운영체제의 개념과 구조

• 전통적인 컴퓨터 시스템의 구조

  • 한 개 이상의 CPU
  • 여러개의 device controller
    • CPU
    • disk controller (disks, storage)
    • USB controller (mouse, keyboard, printer)
    • graphics adapter (monitor)
  • 공통 버스로 연결됨

• Bootstrap program

  • 컴퓨터 전원이 켜지자마자 처음으로 동작되어야할 ROM에 저장되어있는 프로그램은 메모리에다가 운영체제를 얹어주는 일을 해야함
  • HDD(하드디스크)에 있는 운영체제(특히 커널)를 메모리에 로딩해주는 역할을 해야함
  • 그러면 나머지 응용 프로그램들을 메모리에 로드했다가 삭제했다가하는 거는 운영체제가 해줌

• Interrupts

  • 하드웨어가 버스를 통해서 언제라도 interrupter를 트리거 시킬 수 있음
  • 트리거를 시키면 cpu에 시그널을 보내줌
  • 키보드에서 "A"라는 키를 눌렀다는 것을 CPU한테 알려줄때 interrupt라는 방법으로 알려줌

• 폰노이만 아키텍처 (복습)

  • 컴퓨터에 내릴 수 있는 명령을 명령의 집합으로 정의하고, 이 명령어 집합으로 구성된 컴퓨터 프로그램을 메모리에 로딩하면 메모리에 있는 명령어들을 cpu가 하나씩 fetch를 하고 execute를 함
  • A typical instruction-execution cycle
    • first fetches and instruction from memory
    • and stores that instruction in the instruction register (명령어를 메모리에서 하나씩 가져오는 레지스터 나중에 나옴)

• Storage System

  • CPU가 있고, memory가 있고 비휘발성 장치인 Storage system이 있음
  • storage system의 계층 구조 (용량에 따른, Access time에 따른)
    • register : cpu 안의 회로에 묶여있어 가장 빠름
    • cache : cpu와 ram 사이의 cache memory. 빠르지만 RAM보다 훨씬 비싸기 때문에 용량을 크게 할 수 없음
    • main memory : 흔히 말하는 RAM
    • solid-state-disk (SSD) : 메모리 형태의 하드 디스크
    • hard disk (HDD) : 마그네틱 카드 자기장을 이용
    • optical disk : HDD로 저장하기에도 양이 많은 것들 저장, 백업용도
    • magnetic tapes : 백업 용도 (은행 등 보존연안 10년 같은)

• I/O Structure

  • 실행 : Thread of Execution
    • CPU가 thread of execution을 가지고 있는데 캐시를 통해서 RAM에 액세스를 하고 IO device가 interrupt를 걸어주고, 데이터를 주고 받고, IO request를 보내고 이런 복잡한 IO structure를 가지고 있음
    • 유투브 동영상을 보여주는거: 네트워크로부터 데이터를 받는거는 network device가 할일이고, 그 다음에 LCD에 화면 display하는 것은 LCD display가 할일. CPU가 할일은 정지 이런 작업 정도. 이런 경우에는 네트워크 카드가 다이렉트로 LCD에 데이터를 보냄. 이렇게 디바이스끼리 다이렉트로 액세스 하는것 = Direct Memory Access (DMA)
    • 커널이 업데이트 될일은 거의 없음. 현재 운영체제의 90% 이상은 커널에 붙은 디바이스 컨트롤러를 만드는 일.

• 컴퓨터 시스템 요소의 정의

  • CPU, Processor, Core, Multicore, Multiprocessor
  • 예전에 있었던 cpu 하나에 메모리 하나있는 구조는 더이상 사용하지 않음.
  • 최근 : Symmetric multiprocessing (SMP)
  • 프로세서, cpu가 한 개가 아니라 멀티라는 것
  • 메모리가 한개인데 cpu0, cpu1, cpu2 이런식으로 여러개의 cpu가 각각의 레지스터와 캐시를 갖고 붙어있는 형식
  • Multi-core : 같은 프로세서 칩 하나에 여러 개의 코어가 붙어 있는 것. cpu를 한장만(마더보드가 한개) 꼽지만 그 안에 코어가 여러개 (듀얼-2개, 쿼드-4개, ...)
  • Multiprogramming : 하나의 프로그램이 한 번에 한 개 이상 돌고 있는 것. 메모리에 여러 개의 프로세스가 동시에 올라가 있는 것. CPU 사용 효율을 높일 수 있음.
  • Multitasking(=multiprocessing) : 하나의 CPU가 실행 속도가 빠를때 여러개의 job(processor)을 자주 바꿔줌.
  • CPU Scheduling : RAM에 여러개의 프로세스를 동시에 실행. CPU는 한개. 어떤 프로세스를 다음에 실행시킬 지의 결정.

• user mode & kernel mode

  • user mode : 프로세스 실행 중에 시스템콜을함
    • 시스템콜 : OS한테 어떤 서비스를 요청함
  • kernel mode: 시스템 콜을 하면 그때 커널 모드로 바껴서 커널 모드에서 시스템콜을 처리하고 난 다음에 다시 user mode로 되돌아감. kernal mode가 아니면 직접적으로 하드웨거 제어가 불가능.

• Virtualization (가상화)

  • Virtual Machine Monitor (VMM) 을 끼면 한 컴퓨터에서 여러 운영체제를 실행시킬 수 있음. cpu 스케줄링을 하듯이 os vmm 스케줄링 가능.

• OS 인터페이스

  • cli : sh, bash, tcsh, zsh ...
  • GUI : Windows, Aqua for MacOS, KDE/GNOME for Linux ...
  • touch-screen interface : android UI, iPhone UI ...

• 실제 응용프로그램이 OS와 상호작용하는 방식

  • 시스템 콜
    • OS가 제공해주는 서비스들을 시스템 콜을 하면됨
    • read, write ...
    • OS의 API 콜이 시스템 콜이라고 이해하면 됨

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