운영체제란
운영체제(Operation System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다.
운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어라고 한다
3.1 운영체제와 컴퓨터
3.1.1 운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
1. CPU 스케쥴링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할달할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지를 관리
3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리
운영체제의 구조
유저 프로그램이 맨 위에 있고 가장 밑에 하드웨어가 있으며 중간에 있는 부분을 운영체제라고 칭한다. 참고로 GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있다
*GUI
사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있고록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
*드라이버
하드웨어를 제어하기 위한 소프트에어
*CUI
그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
시스템콜
시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다
즉, 사용자 프로그램이 특권 명령의 수행을 필요로 하는 경우 운영체제에게 특권 명령의 대행을 요청하는 것이다
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
- 이때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.
- 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
시스템 콜 예시
- in.txt에 있는 파일내용과 같은 내용을 복사하여 out.txt 파일을 만드는 것
리눅스 터미널에 위와 같은 명령어를 입력한다면 이때 순차적으로 호출되는 시스템 콜은 어떤 것이 있을까?
- 먼저 사용자로부터 입력을 받는데 이때 I/O 시스템 콜 호출이 필요하다.
- 이후 'cp' 프로그램을 실행시키면 먼저 'in.txt' 파일이 현재 디렉토리에서 접근 가능한지를 확인하기 위한 시스템 콜이 호출된다.
- 이때 접근이 불가능하다면 에러를 발생시킨 후 프로그램이 종료되는데 이때 시스템 콜이 호출된다.
- 파일이 존재해 접근 가능하다면 복사한 파일을 저장하기 위해 'output.txt' 파일명이 있는지 검사하기 위한 시스템 콜이 호출된다.
- 이 때도 마찬가지로 이 파일 명이 존재하는지 존재하지 않는지 검사하기 위해 시스템 콜을 통해 확인한다.
- 만약 파일 명이 이미 존재한다면, 덮어 씌워야 할지 아니면, 이어서 붙여야 하는지 User에게 물어볼 수 있는데 만약 저장하고자 하는 파일 이름이 겹치지 않다면, 파일을 저장해야 하는데 이 때도 시스템 콜을 이용한다.
- 위 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다
- 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 그렇기 때문에 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다는 장점이 있다
modebit
시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
- 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스를 운영체제를 통해서만(커널모드) 사용할 수 있게 하여 해킹으로쿠터 사용자 장비를 보호
- modebit은 0과 1 값을 가지는 플래그 값. 0은 커널모드, 1은 유저모드
*유저모드
유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
*커널모드
모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
3.1.2 컴퓨터의 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤로, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다
CPU
CPU는 산술논리연산정치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말한다. 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.
- 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다
제어장치
제어장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다
레지스터
레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치이다. CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
산술논리연산장치
산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 뎃셈, 뺄셈 간은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.
CPU의 연산 처리
CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예
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 CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어 등의 장치에 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 경우에 CPU에게 알려 처리할 수 있도록 하는 것
우선적으로 처리해야할 일이 발생하였을 때 그것을 처리하고 원래 동작으로 돌아옴
- 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트 두가지로 나뉜다
*인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수, 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.
하드웨어 인터럽트
키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 들의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 발한다
이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다
소프트웨어 인터럽트
트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다
DMA 컨트롤러
DMA 컨트롤러는 IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 떄문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼 역할이다. 또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
메모리
메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다. CPU는 계산을 담당, 메모리는 기억을 담당한다.
타이머
타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그햄이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다
디바이스 컨트롤러
디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다
참고자료
시스템콜, modebit
https://sosoeasy.tistory.com/645
인터럽트
https://velog.io/@adam2/%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8
https://whatisthenext.tistory.com/147
https://doh-an.tistory.com/31
