운영체제 02 컴퓨터시스템의 구조 | KOCW 이화여대 반효경

protect-me·2021년 9월 13일

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운영체제란 무엇인가?

이미지 출처

컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
협의의 운영체제(커널)
운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
광의의 운영체제
커널 뿐만 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념

운영체제의 목적

컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공
자원을 효율적으로 관리

운영 체제의 분류

동시 작업 가능 여부

단일 작업

한번에 하나의 작업만 처리

다중 작업

동시에 두 개 이상의 작업 처리(현대의 운영체제는 대부분 다중 작업)
ex) UNIX, MS Windows...

사용자의 수

단일 사용자

ex) MS Windows

다중 사용자

ex) Unix, NT server ...

처리 방식

일괄 처리 | batch processing

작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함

여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가집
interactive한 방식

실시간 | Realtime OS

정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
즉, 데드라인이 있고 꼭 지켜야하는 시스템

용어정리

Multitasking: 다중 작업
Multiprogramming: 메모리에 여러 프로그램이 올라가있는 상태
Time Sharing: CPU의 시간을 분할하여 나누어 씀
Multiprocess: 다중 처리

Multiprocessor: 하나의 컴퓨터에 CPU(processor)가 여러 개 붙어 있음을 의미.

운영 체제의 예

유닉스, 리눅스, MS Windows, ...

운영체제의 구조

CPU 스케줄링
누구에게 CPU를 줄까?
메모리 관리
한정된 메모리를 어떻게 쪼개어 쓸까?
파일 관리
디스크에 파일을 어떻게 보관할까
입출력 관리
각기 다른 입출력장치와 컴퓨터 간에 어떻게 정보를 주고 받게 할까
프로세스 관리
프로세스의 생성과 삭제
자원 할당 및 반환
프로세스 간 협력

컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 내부 / 외부(I/O)

Registers

Registers: 명령어를 실행하기 위해 필요한 데이터와 상태, 명령어를 저장하는 기억 소자. CPU 내부에 존재하며, 기억 장치 중 가장 빠르며 용량이 작음
Program Counter: 다음번에 실행할 기계어의 메모리 주소를 가지고 있는 레지스터. 즉, Program Counter가 가리키고 있는 메모리 위치에서 매번 기계어를 하나씩 가져와서 실행함

Device Controller, Local Buffer

컴퓨터를 부팅하면 OS가 먼저 실행되어 상주하고 있고,
프로그램을 실행하면 메모리에 올라가면서 프로세스가 됨
Device controller: I/O 장치들을 전담하는 작은 CPU들이 붙어있음
local buffer: Device controller의 작업 공간(작은 메모리라고 보면 됨)
device driver(소프트웨어): I/O에 요청을 하는 방법이 들어있는 곳 => CPU가 실행하는 코드
Firmware: device driverd를 통해 실행되는 코드가 바로 펌웨어. 즉, device controller에 들어있는 코드

Interrupt | 하드웨어 인터럽트

일반적인 인터럽트는 하드웨어 인터럽트를 이야기함 (소프트웨어 인터럽트는 아래 system call과 mode bit에서 설명)
CPU에는 Interrupt line이 달려있음
프로그램 A를 실행했을 때 Disk에 뭔가 필요하다고 하면 CPU가 직접 가져오는 것이 아니라, OS가 디스크 컨트롤러에게 어떤 파일을 읽어달라는 요청을 함.
컨트롤러에게 일을 던져놓고 메모리에서는 CPU를 다른 프로그램에 넘김
디스크 컨트롤러가 일을 다 했다면 CPU에 알려주는 방법이 바로 Interrupt를 거는 것
CPU는 Interrupt line을 확인하고 처리해야할 일이 있다면 자동적으로 OS에 CPU를 넘김
OS는 다시 필요한 프로그램에 CPU를 넘김

Timer

CPU 독점을 막기 위한 하드웨어
일정 시간마다 Interrupt를 발생시킴
일정 시간 후 자동적으로 OS에 CPU 제어권이 넘어옴

Mode Bit | Trap | 소프트웨어 인터럽트

mode bit: CPU에서 기계어를 실행할 때, OS가 실행하는 것인지, 사용자 프로그램이 실행하는 것인지 구분하는 역할
(사용자 모드_사용자 프로그램 1 / 모니터 모드_OS 코드 0)
- CPU가 사용자 프로그램에 넘어가면 OS는 CPU를 제어할 방법이 없음(제어하는 기계어도 CPU에서 실행될 때 의미가 있는데, CPU가 넘어가 있기 때문)
- 사용자 프로그램에 CPU를 넘길 때, mode bit을 1로 변경 후 넘김 => 사용자 모드에서 권한이 없는 기계어를 실행하고자 할 때(Exception) CPU는 자동으로 OS에게 넘어감

System Call | Trap | 소프트웨어 인터럽트

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
모든 I/O는 특권 명령이기 때문에 사용자 프로그램은 권한이 없음. 따라서, OS에 요청을 해야함. 그것이 바로 시스템콜
OS로 CPU를 넘기기 위해서 사용자 프로그램이 스스로 메모리에 인터럽트를 거는 것이 바로 시스템콜(사용자 프로그램이 직접 Program Counter를 넘길 수 없기 때문에 interrupt를 발생시켜 주도권을 넘김)

Interrupt에 대한 정리

1. 협의의 Interrupt

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘김

2. 광의의 Interrupt

2-1. Interrupt(하드웨어 인터럽트)

하드웨어가 발생시킨 인터럽트

2-2. Trap(소프트웨어 인터럽트)

Exeption: 프로그램이 오류를 범한 경우

System Call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

=> hardward interrupt, software interrupt(expeption, system call)의 모든 경우에 interrupt line을 통해 동작함
=> 현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨

동기식 입출력과 비동기식 입출력

동기식 입출력(synchronous I/O)

I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감

비동기식 입출력(asynchronous I/O)

I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘거암

DMA | Direct Memory Access

기존 : CPU 입장에서 interrupt가 너무 빈번하게 들어오면 하던 일을 멈추고 interrupt에 해당하는 local buffer에 점근해서 카피, memory에 올리고 일을 처리함. 아주 작은 단위까지 계속해서 이런 방식으로 반복하는 것은 비효율적이라는 거지.