https://core.ewha.ac.kr/publicview/C0101020170313145811055991
https://core.ewha.ac.kr/publicview/C0101020170313151303541331
운영체제란 무엇인가?
컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 SW와 HW를 연결하는 소프트웨어 계층
협의의 운영체제
커널이라고 부름- 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
- 전원이 켜질 때부터 전원이 꺼질 때까지 메모리에 상주하는 부분
광의의 운영체제
- 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념
운영체제의 목적
컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 인터페이스를 제공
- 운영체제는 동시 사용자/프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공
- 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행
컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
- 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리
- 실행 중인 프로그램들에게 짧은 시간씩 CPU 번갈아 할당 / 메모리 공간 적절히 분배(N분의 1 하는 게 아닌 각 사용에 맞게..)
- 사용자 간의 형평성 있는 자원 분배
- 주어진 자원으로 최대한의 성능을 내도록
- 사용자 및 운영체제 자신의 보호
- 프로세스, 파일, 메시지 등을 관리
- SW의 자원도 관리
운영체제의 분류
- 동시 작업 가능 여부
- 사용자의 수
- 처리 방식
이 과목에서 설명하는 운영체제는 다중 작업, 다중 사용자, 시분할 처리 방식의 특징을 갖고 있음
동시 작업 가능 여부
단일 작업(Single Tasking)
- 한 번에 하나의 작업만 처리
MS-DOS 프롬포트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음 - 예전 특징
다중 작업(Multi Tasking)
- 다중 작업이 가능하기 때문에 운영체제가 자원을 어떻게 분배할지 고민하는 것
- 동시에 두 개 이상의 작업 처리
UNIX, MS Windows 드에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음
사용자의 수
단일 사용자(Single User)
MS-DOS, MS Windows
다중 사용자(Multi User)
- 한 대의 컴퓨터에 여러 사용자가 터미널 형태로 동시에 접속할 수 있는 것
UNIX, NT server - 보안과 관련된 제약 조건이 붙을 것
처리 방식
일괄 처리(Batch Processing)
- 작업 요청의 일정량을 모아서 한꺼번에 처리
- 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
ex) 초기 Punch Card 처리 시스템
시분할(Time Sharing)
- 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
- 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
UNIX - Interactive 방식 (Batch 방식과 다름)
각 사용자가 컴퓨터로부터 서비스를 제공 받는 시간을 숫자로 표시
실시간(Realtime OS)
- 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
- 마감 시간을 반드시 지켜야 하는 시스템을 위한 OS
원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로보트 제어 - 실시간 시스템의 개념 확장
- Hard realtime system (경성 실시간 시스템)
- Soft realtime system (연성 실시간 시스템)
몇 가지 용어
- Multitasking
- Multiprogramming
메모리 측면을 강조한 용어
메모리에 여러 프로그램이 동시에 올라가있는 상황 - Time sharing
CPU가 짧은 시간 간격으로 time sharing 중
CPU의 역할을 좀 더 강조한 용어 - Multiprocess
- 구분
- 위의 용어들은 한 컴퓨터 내부에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻한다
- Multiprogramming은 여러 프로그램이 메모리에 동시에 올라가있음을 강조
- TimeSharing은 CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
- MultiProcessor
=하나의 컴퓨터에 CPU(processor)가 여러 개 붙어있음을 의미
운영체제의 예
유닉스
- 리눅스보다 먼저 나옴
- 코드의 대부분을 C언어로 작성
어셈블리어로 작성하기 어려워서 C언어를 개발
C언어로 만들어졌기 때문에 사람이 이해하고 수정하기 편함 - 높은 이식성
- 최소한의 커널 구조
- 복잡한 시스템에 맞기 확장 용이
- 소스 코드 공개
- 프로그램 개발에 용이
- 서버용 대형운영체제
- 다양한 버전
System V, FreeBSD, SunOS, Solaris
Linux
DOS(Disck Operating System)
- MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발 (개인용 PC용으로..)
- 단일 작업, 단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계(주 기억장치 : 640KB)
MS Windows
- MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영 체제
- Plug and Play, 네트워크 환경 강화
- DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
- 초기에 불안정성(95, 98 ...)
- 풍부한 자원 소프트웨어
Handheld device를 위한 OS
핸드폰 ..
- PalmOS, Pocket PC(WinCE), Tiny OS (약간 예전..)
운영체제의 구조
OS 개발자 관점에서 공부하자
- 대부분의 운영체제 알고리즘은 OS 프로그램 자체의 내용
- 인간의 신체가 뇌의 통제를 받듯이 컴퓨터 하드웨어는 운영체제의 통제를 받으며, 그 운영체제는 사람이 프로그래밍하는 것이다
컴퓨터 시스템 구조
- CPU가 작업하려면 메모리가 필요
이처럼 I/O 컨트롤러와 같은 컨트롤러도 작은 CPU이기 때문에 메모리가 필요하다 →Local Buffer - CPU에서 실행하고 있는 기계어는 메모리 어딘가에 있는 기계어
운영체제가 존재하는 기계어를 실행할 때도 있고, 사용자 프로그램에 있는 기계어를 실행할 때도 있음
→ 두 경우를 구분할 필요가 있다
운영체제에는 CPU를 맡길 수 있지만, 운영체제가 다른 사용자 실행 프로그램에 CPU를 넘기면 이 프로그램이 신뢰할 수 있는지 확인 등의 보호 조치가 필요
CPU에서 기계어를 실행할 때 운영체제가 실행하는 것인지 사용자 프로그램이 실행하는 것인지 구분함 ➡
Mode Bit
Mode Bit
- CPU에는
Mode Bit이 붙어있다
사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요
Mode Bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 Operation 지원
1 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행
0 모니터 모드* : OS 코드 수행 (CPU가 아무 거나 해도 상관없음)- 운영 체제가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨줄 때
Mode Bit을 1로 변환해서 넘겨줌 - 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드(운영체제 코드만)에서만 수행 가능한
특권 명령으로 규정 (위험한 명령) - 인터럽트나 예외(이렇게 권한이 없는 기계어를 실행) 발생 시 하드웨어가
Mode Bit을 0으로 세팅 - 운영체제가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에
Mode Bit을 1로 세팅
모니터 모드?
커널 모드, 시스템 모드
Interrupt Line
- CPU에는 Interrupt Line이 붙어있다
- 매 순간 메모리에서 기계어를 읽어 실행한 다음, 다음 기계어를 실행하기 앞서
Interrupt check
이 Interrupt는 DISK 부터 I/O 장치까지 .. 발생시킬 수 있음
나 작업 다 했다구~~ CPU에게 인터럽트를 걸어 알려줌
그럼 CPU는 자동으로 운영체제에게 넘어가면서 Mode Bit 은 0이 됨
그리고 운영체제는 인터럽트에 대응하는 일을 수행
Registers
- CPU가 실행하는 연산에 관련된 Input, Output을 저장하기 위한 곳.. 이라고 이해
PC Registers (Program Counter ~)
다음 번에 실행할(이제 실행할..) 기계어의 Memory Address 를 가리키고 있는 레지스터
Timer
CPU 독점을 막기 위한 하드웨어
정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 CPU 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킴
-
운영체제가 Timer에 시간을 세팅한 후 다른 프로그램에 CPU 제어권을 넘김
그리고 Timer는 해당 시간 간격으로 CPU에 인터럽트를 발생시켜 자동으로 CPU 제어권이 운영체제에 넘어감! -
타이머는 매 클릭 틱 때마다 1씩 감소
-
타이머 값이 0이 되면 타이머 인터럽트 발생
-
CPU를 특정 프로그램이 독점하는 것으로부터 보호
-
타이머는 time sharing을 구현하기 위해 널리 이용됨
타이머는 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용
무한 루프를 돌고 있거나 하는 문제가 있는 프로그램을 실행하느라 CPU를 오래 사용하고 있을 때,,, 운영체제는 단독으로 그 CPU 제어권을 뺏을 수는 없기 때문..
