1. 운영체제와 컴퓨터

1.1. 운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

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 얼마나 할당해야 하는지를 관리한다.

3. 디스크 파일 관리

   디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.

4. I/O 디바이스 관리

   I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

운영체제의 구조

유저 프로그램	GUI	시스템콜	커널	드라이버	하드웨어

GUI, 시스템콜, 커널 부분이 운영체제를 지칭한다. GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스도 있다.

💡 GUI (Graphic User Interface)

사용자가 전자장치와 상호작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태

단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 해준다.

💡 드라이버 (Driver)

하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

💡 CUI (Character User Interface)

그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

• 시스템콜
  운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며, 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.
  • 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
  • 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
  • 하나의 추상화 계층이다. 때문에 시스템콜을 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다.

💡 I/O요청

입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일

• modebit
  1 또는 0의 값을 가지는 플래그변수이며 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
  

💡 유저 모드

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

💡 커널 모드

모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

💡 커널

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

1.2. 컴퓨터의 요소

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

CPU (Central Processing Unit)

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성된 컴퓨터 장치를 말하며 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼

• 제어장치 (CU, Control Unit)
  프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
  • 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
• 레지스터 (Register)
  CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
  • CPU와 직접 연결되어 있으므로 RAM보다 연산 속도가 수십~수백 배 빠름
  • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
• 산술논리연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)
  덧셈, 뺄셈같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
  

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 산술논리연산장치에 계산하도록 명령
3. 계산한 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장

• 인터럽트 (Interupt)
  어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것

  • 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나눌 때, 프로세스 오류 등으로 발생

  • 인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모인 인터럽트 벡터로 가서 핸들러 함수가 실행

    → 인터럽트 간에는 우선순위가 존재하며 우선순위에 따라 실행됨

    💡 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

    키보드, 마우스 등을 연결하는 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트

    • 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 시스템콜을 운영체제로 요청하여 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.

  • 소프트웨어 인터럽트

    트랩 (Trap)이라고도 하며 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
    

DMA 컨트롤러 (Direct Memory Access)

IO디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치

• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 유닛
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치

• 보통 RAM(Random Access Memory)을 메모리라고 함
• CPU는 계산을, 메모리는 기억을 담당한다.
• 공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기이다. 작업장이 클수록 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재함.

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU