이 글은 면접을 위한 CS 전공지식노트의 책을 읽고 학습 후 스터디 공유를 위한 글입니다.

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권의 프로세스 할당, 프로세스 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환 관리
2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마나 할당할지 관리
3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리
4. I/O 디바이스 관리: 마우스, 카보드와 컴퓨터 간 데이터를 주고받는 것을 관리

운영체제의 구조

운영체제의 구조, GUI/CLI, 시스템 콜, 커널, 드라이버가 운영체제에 해당한다.

시스템콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스, 유저프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.
• 유저 프로그램이 I/O 요청(입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근등에 관한 일)으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다. ex. I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수 실행 → 유저모드에서 파일을 읽는 것이 아닌 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직 수행 → 컴퓨터 자원의 직접적 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
  
• 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떤 요청을 보낼 때 시스템콜 → 커널을 거쳐 운영체제로 전달된다.
• 하나의 추상화 계층으로 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다.

modebit

• 시스템콜 작동시 유저 모드와 커널 모드를 구분하는 플래그 변수.(0: 커널모드, 1: 유저모드)
• I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야한다. ex. 카메라를 켜는 프로그램이 유저모드를 기반으로 카메라를 킨다면 공격자가 카메라를 키기 쉬워짐. 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다면 조금 더 어려워 질 것이다.
  
• 유저 모드의 경우 시스템콜을 못하게 막아 컴퓨터 자원에 접근을 제한하여 한정된 일만 가능하게 한다.
  

💡 커널
운영체제의 핵심. 시스템콜 인터페이스를 제공하며, 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리.

컴퓨터의 요소

CPU(Central Processing Unit)

• 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 실행하는 일꾼.
• 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리함

💡 **- 제어장치(Control Unit):** 프로세스 조작 지시하는 CPU의 한 부품, 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어를 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정 **- 레지스터:** CPU의 매우 빠른 임시기억장치, CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없어 레지스터를 거쳐 데이터 전달 **- 산술 논리 연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit):** 덧셈, 뺄셈 같은 산술연산 배타적논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 하는 디지털 회로

인터럽트

• 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠시 정지시키는 것을 말한다. ex. IO 디바이스, 0으로 숫자를 나누는 산술연산, 프로세스 오류 등으로 발생
  
• 인터럽트 발생시 인터럽트 핸들러 함수가 모여잇는 인터럽트 백터로 가서 인터럽트 함수 실행
  • 인터럽트간 우선순위에 따라 실행된다.

💡 인터럽트 핸들러 함수 - 인터럽트 발생시 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출 → request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

하드웨어 인터럽트

• 키보드, 마우스, 카메라 등 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
• 이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적으로 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해 원하는 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근해 일을 수행

소프트웨어 인터럽트

• 트랩이라고도 하고 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동된다.

DMA 컨트롤러

• IO 디바이스가 메모리에 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
• CPU에 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 부하를 막아주는 보조 역할
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지

메모리

• 전자회로에서 데이터, 상태, 명령어 등을 기록하는 장치

타이머

• 일정 시간 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 부여하는 역할
• 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU

사진 출처: 면접을 위한 CS 전공지식노트 서적