CSㅣ운영체제와 컴퓨터

운영체제와 컴퓨터

운영체제와 컴퓨터

운영체제(OS,Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 역할을 한다.

운영체제와 비슷하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 '펌웨어(firmware)'라고 한다.

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할과 구조

하드웨어와 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 운영체제와 CPU, 메모리 등으로 이루어진 것이 컴퓨터이다.

운영체제의 역할

운영체제는 크게 4가지의 역할을 한다.

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 할지 관리한다.

3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리한다.

4. I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

운영체제의 구조

운영체제의 구조는 아래 그림과 같다.

유저 프로그램이 맨 위에 있고, GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며, 가장 아래에는 하드웨어가 있는 구조이다. 그리고 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분이 '운영체제'를 지칭한다. GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 존재한다.

※ GUI
: 사용자가 전자장치와 상호작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아니라 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있게 한다.

※ 드라이버
: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

※ CUI
: 그래픽이 아닌, 명령어로 처리하는 인터페이스

시스템콜

'시스템콜'이란, 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며, 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.

유저 프로그램이 I/O요청으로 트랩(trap)을 발동하면, 올바른 I/O요청인지 확인한 후, 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

예를 들어, fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동되었다면, 유저모드에서 파일을 읽지 않고 '커널 모드'로 들어가 파일을 읽고, 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다. 이러한 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

※ I/O요청
: 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일

※ 드라이버
: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떤 요청을 할 때, 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 따라서 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

modebit

시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해 '유저모드'와 '커널모드'를 구분한다. modebit은 1 or 0의 값을 가지는 '플래그 변수'이다. 카메라, 키보드 등의 I/O디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. 만약 카메라를 켜는 프로그램이 있는데 유저모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켜는 등의 나쁜 일들이 일어나기 쉽다.

물론, 커널모드를 거쳐 운영체제를 작동해도 100% 막을 수 있는 것은 아니지만 막기가 쉬워진다. 이를 위해서 modebit 장치가 있다. modebit의 0은 커널모드, 1은 유저모드라고 설정된다.

따라서 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 하면 시스템콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널모드로 변경한 후, 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다. 그 이후에 modebit을 0에서 1로 바꿔 유저 모드로 변경하고 이후 로직을 수행한다.

※ 유저모드
: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드

※ 커널모드
: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

※ 커널
: 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며, 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O디바이스, I/O요청관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

컴퓨터의 요소

컴퓨터의 요소

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

CPU

CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치이다. 단순히 인터럽트에 의해 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이라 볼 수 있다.

관리자 역할인 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스를 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리하는 것이다.

제어장치

제어장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고, 명령어를 읽고 해석하며, 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터

레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 '임시기억장치'이다. CPU와 직접 연결되어 있어 연산속도가 메모리보다 훨씬 더 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없어 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치

산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논지곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한, 레지스터에도 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 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 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 함수이다. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며, request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 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

소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등의 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 말한다. CPU에만 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며, CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 생각하면 이해하기 쉽다. 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

메모리(memory)는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말한다. 보통 RAM(Random Access Memory)을 메모리라고 한다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.

메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

타이머(timer)는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고, 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고, 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 말한다.