Introduction about OS

운영체제에 대한 전반적인 소개를 진행하겠습니다.
동시에, 컴퓨터 시스템의 구조에 대해서 말하며 운영체제가 컴퓨터 시스템에서 어떻게 동작하는지에 대해서 알아보기 위한 기본에 대해서 알아보도록 합시다~

그렇다면 가장 먼저 OS가 무엇인지, 어떤일을 하는지 알아보도록 하자!

What Operating System Do

OS란 ? 사용자가 Computer hardware를 잘 사용할 수 있도록 만들어주는 interface이다.

운영체제의 정의

운영체제가 무엇인지는 운영체제의 역할을 이해하면 알 수 있다.
크게 두가지 역할로 구분이 가능하다.

• 자원할당자 (Resource Allocator)
  모든 자원을 관리해주는 역할을 한다.
  모든 디바이스들이 공평하고 효율적으로 사용하도록 해준다.

• 프로그램 제어 (Control Program)
  에러를 예방하고 부적절한 사용을 제어하는 역할을 한다.

운영체제는 어디까지라고 할 수 있을까?

• 어디까지가 운영체제다라고 정의할 수는 없다.

1. "vendor ships의 모든 것"들이라고 할 수도 있으며 2. "kernel(가장 핵심이 되는)을 켰을 때 항상 돌고있는 모든 것"이라고도 할 수 있다.

OS가 이러한 역할을 수행하는 목표가 무엇일까?

• 사용자 프로그램을 실행시키고 사용자의 문제를 쉽게 풀어주도록 한다.
• Computer System을 효율적으로 편리하게 사용할 수 있도록 한다.

운영체제는 Computer System을 효율적으로 편리하게 사용할 수 있도록 User에게 제공하는 역할을 한다고 하는데 그렇다면 Computer System이 무엇인지 알아야할 것이다.
Computer System이 어떻게 동작하는지에 대해서 알아보면 OS에 대해서 이해하게 될 것이다.

해당 챕터에서는 운영체제를 알아보기 전에 운영체제가 적용될 Computer System에 대해서 알아보도록 하겠다

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Computer System에 대한 이해

computer system 구조

4개의 component로 구분할 수 있다.

1. Hardware : 눈에 보이는 computer system을 구성하는 모든 것들
2. OS :Hardward를 사용함에 있어서 여러 application or user 들이 효율적으로 사용할 수 있도록 제어 및 관리하는 역할을 하는 것
3. Application programs : 사용자에 의해서 작동되는 프로그램으로 web browser or database system 등이 있을 수 있다.
4. User : application program을 사용하는 모든 것들이고 사람이 될 수도 있으며 또 다른 기계나 컴퓨터가 될 수 있다.

작은 번호부터 차례대로 computer system을 하단에서 부터 구성하고 있다.

Computer Startup

• booting

bootstrap 에 의해서 부팅된다.
ROM or EEPROM 등의 firmware안에 들어있는 bootstrap이 컴퓨터 전원이 켜지면서 가장 처음으로 실행되고 초기화가 진행된다.

• loading

kernel이(OS가) ~~가 ~~에 있다는 것을 알고(이미 알고있음) 로딩해주는 역할을 진행한다.

Computer System Organization

CPU는 공유 memory를 주소값을 통해서 접근하여 데이터를 가져온다.
이때, 데이터는 device들의 I/O작업이 진행되며 각각의 Controller에 의해서 shared BUS를 타고 들어오게 된다.

특징
1. concurrently : CPU의 작업과 I/O 작업은 동시에 실행될 수 있다.
2. buffer : 각 디바이스들의 Controller는 local buffer를 가지고 있고 일단은 buffer에 저장하며 I/O를 수행한다.
- Disk out : write작업으로 disk controller의 buffer에서 disk로 disk의 속도에 맞춰서 밖으로 출력을 수행한다.
- Disk in : read작업으로 disk controller의 local buffer에 저장하는 작업을 수행한다.
3. DMA Controller : buffer에 저장된 데이터를 shared Bus를 통해서 memory에 저장할 때 block단위로 수행한다.
4. Interrupt : DMA Controller의 도움을 받아서 disk buffer의 data가 memory에 쓰여질때 CPU에게 i/o 작업이 끝났음을 알려주고 memory에 다 쓰여졌음을 알려주는 역할을 한다.

결국에 I/O 작업이 끝나고 CPU의 Control은 Interrupt에 의해서 발생한다.
I/O작업과 CPU 사이의 Interrupt에 대해서는 조금 더 자세히 알아보자!!

Interrupt Driven

Interrupt에 의해서 CPU 작업이 실행되게 된다. Interrupt에 대해서 자세히 알아보자!

Interrupt는 여러종류가 있을 수 있는데 각각의 Interrupt마다 처리해주는 루틴이 다 다를 것이다. 이때, "Interrupt Vector"는 각 Interrupt마다 어디에 어떤 작업을 수행해 줄 것인지에 대한 정보가 있는지에가 담겨져있다.

• Interrupt를 처리중인데 다른 Interrupt가 발생했을 때
  우선순위를 비교해서 우선순위가 높은 것을 먼저 처리해준다.
  다른 Interrupt를 실행할 때는 이미 동작중이던 CPU 동작을 save 해주고 다시 실행할 때는 해당 시점 이후 과정만 실행하면 된다.

• SOFTWARE적인 interrupt : TRAP
  error가 발생하면 신호를 줘서 처리할 수 있도록 software적인 에러(ex. 3/0)를 걸어주는데 trap이라고한다.
  사용자의 요청에 의해서 interrupt가 발생할 수 있다.

• Interrupt Driven
  OS는 모두 interrupt에 의해서 동작이 진행되는데 우리가 폴더를 클릭하고 글을 작성하고 하는 등의 모든 행위가 interrupt가 된다.

• Interrupt Handling(Interrupt Cycle)

  1. Interrupt가 발생한 시점에서의 지금까지 해온 결과물(register안의 중간결과물들)을 다 저장하고 이후 다시 돌아올 곳의 주소(PC : program counter 안의 값은 다음에 실행시킬 것의 주소값을 저장한다)를 저장한다.
  2. CPU의 Controll이 interrupt된 Service가 어디에있는지 파악하고 그 쪽으로 넘어가서 실행을 시킨다.
  3. 실행이 끝났을 때 1번에서 저장해놓은 PC를 읽어서 돌아갈 곳의 주소를 파악하고 나머지 과정을 실행한다.

  그렇다면 2번에서 interrupt된 Service가 어디에 있는지 파악하는 방법이 궁금해질 것이다.

• Which type of interrupt has occurred

  1. polling : interrupt를 건 device가 어떤 것인지 하나씩 접근하며 물어보며 "해당 디바이스에서 interrupt가 났으니까 ~~한 작업을 수행해야겠지"라고 생각해내서 그에 맞는 서비스를 찾아가는 과정
  2. vectored interrupt system : 여러 interrupt에 맞는 Service가 주소값으로 저장되어있는 table에 접근하여 지금 들어온 interrupt는 어떤 서비스를 실행해야하는지 주소값을 불러오는 과정

Interrupt Driven에 대해서 알아봤는데 밑에서는 I/O작업에 대해서 디테일하게 알아보자!

I/O 구조

• Synchronous I/O
  I/O 작업이 실행중일 때, CPU가 동기화 되어 실행되지 않고 기다리는 구조이다.
  I/O 작업이 끝날때, CPU가 실행된다.
  wait instruction 을 사용해서 다음번 interrupt가 발생할 때까지 기다릴 수 있고 혹은 계속해서 wait loop 방식으로 다음번 interrupt가 발생할 때까지 메모리에 계속해서 접근하며 값을 읽어도록 시도하는 방식이 있다.
  => CPU는 어쩔 수 없이 I/O 작업이 하나만 진행될 수 있으니, 최대 하나의 I/O 작업만 가능하다.

• Asynchronous I/O
  I/O 작업이 끝날 때까지 기다리지 않고 CPU는 I/O이 끝날 때까지 기다리지 않고 다른 프로세스의 작업을 하기 위해 기존의 프로세스를 중지시키고 다른 일을 할 수 있다.
  => I/O 작업이 여러개가 동시에 진행 될 수 있다.
  이때, 아래의 이미지와 같이 각각의 device마다 상태를 알려주는 Device-status table이 존재해야한다.

• DMA : Direct Memory Access
  직접 buffer에서 block단위의 데이터를 memory에 저장해놓는 transfer 작업이다.
  해당 작업은 CPU의 관여없이 이루어진다.
  이후에,
  CPU는 DMA 방식으로 memory에 data가 쌓인 것을 "한번의 Interrupt"에 의해서 데이터를 불러와 작업을 시작하게 된다.

지금까지 Computer System이 어떻게 동작하는지에 대해서 알아보며 OS가 어떻게 hardware(device)를 컨트롤하게 되는지 CPU와의 관계에 의해서 알아볼 수 있었다. 큰틀을 이해했다면 그렇다면 이제는 hardware의 Storage에 대해서 알아보며 OS의 동작에 대해서 이해해보자!!

Storage에 대한 이해

계층적 구조

계층적인 구조의 저장매체가 존재한다.

• speed, cost, valatility
  위로 갈수록 빨라지고 아래로 갈수록 싸진다. main memeory 위쪽으로는 전기가 끊기면 날라간다. 그 아래는 전기가 끊겨도 계속 데이터가 유지된다.

• caching
  위의 계층에 데이터를 올려놓는 것을 캐싱기능이라고 하고 속도가 더 빠른 계층으로 데이터를 옮겨놓는 과정을 의미한다.
  (cache는 register아래에 있는 저장매체를 의미한다.)

Typical size
register: <1KB
cache : >16MB
main memory : >16GB
disk stroage : > 100GB

Access time(ns)
register: 0.25 - 0.5
cache : 0.5 - 25
main memory : 80-250
disk storage : 5,0000,000
=> 가능한 main memroy위에서 cpu가 데이터를 읽고 쓸 수 있도록 구성 되어야한다.

Bandwidth(MB/sec)
register: 20,000 - 100,000
cache : 5000 - 10,000
main memory : 1000 - 5000
disk stroage : 20 - 150
=> 대역폭이 disk storage까지 되도록 내려가지 않도록 해야한다.
=> main memory까지는 전기적으로 수행되지만, 아래부터는 기계적인 방법이 수반될 수 밖에없고 이로 인한 성능차이가 발생할 수 밖에 없다.

storage 구조

• main memory : memory 주소를 가지고 CPU가 직접 접근할 수 있는 메모리로 위에서 살펴본, system bus와 연결된 memory이다.
• Secondary Storage : main memory보다 큰 nonvolatile한 storage로 Magnetic disk등이 존재한다.

magnetic disk
disk의 표면은 대략 만개 이상의 track(원)으로 구성이 되어있고한 트랙 안에 굉장히 많은 수의 sector로 구성되어있고 sector단위로 disk I/O작업이 이루어진다.
읽고 쓰기 작업을 할 때 device와 controller사이의 interface역할을 disk controller가 진행한다.
원이 모여 하나의 원판을 플래터를 생성하는데 이것이 수십, 수백개가 모여 동기화된 상태로 같은 속도로 일정하게 돌기 시작한다. 돌다가 원하는 것을 발견하면 읽거나 쓰기를 진행한다. platter의 윗면, 아랫면을 읽기 위해서 arm이 위, 아래로 존재한다. 이때 arm에 read-writed head가 존재하고 이로 인해서 disk I/O작업이 이루어진다.
데이터를 읽거나 쓸 때 마그네틱 필드가 수직, 수평방향중에 어떤 것인지 1,0으로 구분해서 데이터를 읽게 되는 것이다.

• head crash
  읽고 쓰는 과정에서 platter는 head와 간격이 매우 좁기에 닿으며 데이터가 손상되는 현상이 발생할 수 있다.
• 속도
  head가 가볍기 때문에 빠르게 I/O 작업이 가능하다.

optical disk

• 원하는 트랙을 찾아가는 과정은 마그네틱보다 오래걸리지만, 찾았다면 데이터를 읽고 쓰는 과정이 마그네틱보다 더 빠르게 발생한다.
  레이저를 쏘면서 태우면서 1,0을 구분하여 데이터를 저장하는 방식으로 진행된다.
  이때 platter와 head 사이의 간격이 비교적 넓기에 head crash는 발생하지 않는다. 다만, head가 비교적 무겁다. 그래서 sector를 찾는 과정이 느릴 수는 있지만 찾고나서 I/O 작업은 광학방식을 사용해서 매우 빠르게 일어난다.

caching 기능

컴퓨터 시스템의 성능을 향상시키기 위해 낮은 level의 스토리지에서 데이터를 높은 level의 스토리지로 옮겨놓고 속도를 향상시키는 방법을 caching이라고한다.

migration of Integer A from Disk to Register

• ex)
  magnetic disk는 optical disk의 cache 역할을 한다.
  optical disk는 magnetic tapes의 cache 역할을 한다.

• CPU가 데이터를 읽어들이는 과정

register에서 찾다가 없으면 cache에서 찾다가 없으면 Main memory에서 찾고 이때도 없으면 magnetic disk에서 찾고 점점 아래로 내려가면서 찾게된다.
이때 magnetic disk에서 발견했다고 하자. 발견한 데이터를 main memory로 올리고 main memory에서 cache로 올리고 cache에서 hardware에 올려준다.
이때, magnetic disk에 있던 데이터의 복사본이 위의 계층에 모두 존재하게되는데, update가 진행됐을 때 여러개의 복사본을 모두 변경시켜줌으로써 cache의 Coherency을 가져가야할 필요가 있다.

• multi-processor에서의 일관성문제
  cache의 일관성 문제는 CPU가 여러개 존재할 수 있는 multi-processor 구조에서 더욱 심각해질 수 있다.
  각각의 프로세서는 자기자신의 Cache를 가지는데 CPU안에 존재하면 L1 Cache, 밖에있다면 L2 Cache에 존재한다.
  main memory에 있는 A라는 값이 두개 이상의 CPU에 존재할 수 있는데 그런데 하나의 CPU에서 값을 변경하면 다른 쪽의 CPU에서도 변경된 값을 알게끔 해줘야한다.
  => System bus를 monitoring하면서 값이 바뀜을 각각 프로세스가 인지하고 데이터의 일관성 문제를 해결할 수 있는 모델이된다.(복잡해지면 다른 모델을 사용해야함)

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지금까지 CPU, I/O Device들의 동작을 Computer System과 Storage들의 동작원리에 대해서 이해하며 알아보았다. 그렇다면 지금까지 알아본 컴퓨터 시스템에서 어떻게 OS가 구성되고 있는지에 대해서 알아보도록하자!

본격 Operating system 알아보기

효율성을 고려한 OS의 구조

Multiprogramming
Memory위에 여러개의 job들이 올라와서 여러개의 job들이 상주할 수 있도록하고 CPU의 동작이 필요할 때 스케줄링해서 사용하는 방식을 사용하면 CPU I/O 작업을 효율적으로 할 수 있다.

Multitasking(TiemSharing)
multiprogramming처럼 한 작업이 끝나면 다른 작업을 실행해주는 방식이 아니라, 하나의 작업이 처리될 수 있는 시간의 제한을 두고 여러개의 프로세스들이 time을 나눠 진행하도록 하는 방식이다.
ex) 1000명의 직원이 하나의 프로그램에 모두 접근하여 사용할 때, 1초 이하의 response time이 되도록 시분할을 통해서 매우 빠르게 작업을 연속적으로 하고 있는 것처럼 느끼게 할 수 있다.
Swapping : process가 끝남에 따라서 memory 공간에서 내려주고 다음 process가 사용될 수 있도록 올려주는 방식
virtual memory : 물리적 구분이 아니라 논리적 구분의 메모리로 사용자의 입장에서 무한한 공간을 가지고 있는 것처럼 swapping 방식 등을 통해 구현된다.

Interrupt Driven

interrupt는 hardware적으로 발생한다.
trap은 software적인데, software error(Zero Division Error) 등과 같은 에러처리를 위해서 trap을 만들어준다.
무한루프를 방지하기 위해서 timer를 세팅해주고 interrupt가 발생시 처리해준다.(timer를 set해주고 counter값을 줄여나가며 0이 되었을 때 interrupt가 발생하고 무한루프의 경우 자원을 모두 반환해서 before상태로 setup한다.)

• Mode 변환 기능을 제공

1. User mode : 사용자 프로세스가 실행되는 모드
2. Kernel : 운영체제의 기능이 동작하는 모드
   항상 사용자의 프로세스는 User mode에서 동작할 수 있도록 제어한다.
   Mode bit에 따라서 구분을 진행한다.
   User mode bit = 1 / Kernel mode bit = 0에 해당한다.
   ex) I/O 작업 처리를 해달라는 요청이 user mode에서 발생하면 system call이 일어나고 mode bit는 0으로 변경되며 I/O작업에 대한 system call이 시작된다. 끝나면 mode bit가 1로 변환되며 User mode에서 system call의 return을 받게 된다.
   Privileged 특징 : 경계가 나눠져 있고 각자 할 수 있는 권한이 존재한다.

Process Management

• 프로세스 관리 기능을 OS가 제공한다.

프로세스란 ? 현재 실행중인 프로그램을 의미한다. CPU한테 할당되는 작업의 한 단위이이다.

program은 실행되는 거니까 수동적이고(passive) 프로세스로 실행되니까 process 능동적(active)이라고 구분할 수 있다.
프로그램은 설치된 상태에서 가만히 있고 프로세스가 작업을 처리하기 때문이다.

• process 관리기능
  User and system에서 프로세스를 create and delete 기능
  프로세스를 suspending and resuming하는 기능
  synchronization 관리
  coummunication 관리
  deadlock 관리 : 자원의 관리가 잘 안 돼서 발생할 수 있는 먹통 상태를 관리하는 가능을 제공

• Process의 구성
  CPU, MEMORY, I/O, FILES 등을 프로세스는 필요로한다.
  물론 작업을 하기 위해서는 초기 데이터도 필요하다.

• Reclaim(반환)
  프로세스가 종료된다면 사용했던 자원을 모두 반환해야한다.
  반납한 자원은 다른 프로세스가 실행될 때 사용한다.

• Thread

Process가 쪼개진 작업의 단위이다.

PC
SingleThread : process가 thread이다.
MultiThread : process가 더 쪼개질 수 있는 경우로 쪼개는 단위로 PC(Program counter)를 가진다.

MultiThread
CPU가 하나라면 동시에 여러개를 처리하는 것처럼 보이지만, 어느 한순간에 하나만 처리하고 있다.
그러나, active한 상태로 있는 thread들이 동시에 여러개가 존재할 수 있다는 점에서 single thread와 다르다.

Memory Management

모든 instruction들은 실행되기 위해서 memory위에 올라와있어야한다.
이때 OS는 메모리의 어느 파트를 누가 언제 사용하는지 관리해주는 역할을 한다.

• CPU의 이용률 관련 관리
• 어느프로세스가 위의 level로 올라와서 memory에 담길 것인지 관리
• 메모리 공간을 할당하고 제거하는 역할

Storage Management

OS는 일관적이고 논리적인 뷰를 (ex.파일관리자) 제공해야한다.
device들에 대한 데이터를 제공해줘야한다.(ex. sequential한 tape drive는 순차적으로만 접근이 가능하고 harddisk는 random하게 접근해서 원하는대로 접근이 가능하다는 구분, 어떤 드라이버는 speed가 매우 느릴 것이고 등등에 대한 각 속성값들에 대해서 제공해줘야한다)

• File System
  file or directories들을 생성하고 삭제를 관리
  파일이나 디렉토리에 대한 내용을 표시해줄 수 있는 기능 제공
  파일들을 더 큰 용량으로 매핑해주는 기능
  더 건전한 운영을 위해서 백업기능을 제공

Mass Storage Management

main memory안에 들어갈 수 없는 큰 사이즈의 데이터는 disk에 저장해야한다.
이렇게 저장되면 오랫동안 보관되는데 대역폭이 떨어지고 접근 속도가 매우 느려진다.
그래서 Disk를 어떻게 관리하냐에 따라서 성능의 영향을 주는데 OS를 통해 관리를 해준다.

• 비어있는 공간을 관리

• Storage의 할당을 관리

• Disk scheduling을 진행

• disk의 I/O 방식을 관리한다.

1. WORM(write-one, reaad-many-times) : optical disk
2. RW(read-write) : magnetic disk

I/O Subsystem

OS에는 hardware device가 사용자로 부터 쉽게 사용될 수 있도록 하는 기능이 포함되어있다.

Controller안에 buffer가 존재한다.

• device는 disk controller의 memory를 이용해 buffering을 수행
  속도차이가 틀린 경우에 완충 작용을 해준다면 버퍼링한다고 한다.
  ex) cpu가 memory에 있는 데이터를 harddisk에 쓰는 경우 매우 빠르지만, 실제 harddisk의 데이터를는 disk output 작업은 느리다. 이 경우 속도 차이의 완충 작용을 buffer가 해준다.
• 속도가 더 빠른쪽으로 미리 가져다 놓는 caching 을 수행
  ex) 읽기작업을 할 때 속도가 느리니까 disk controller에 미리미리 넣어주는 과정을 해주는게 캐싱기능이다.
• 어떤 작업의 출력값을 바로 다음 작업의 입력값을 연결해주는 spooling(simultaneous peripheral operations online)을 제공

I/O controller memory를 이용해서 다음의 작업들이 이루어진다.
어떤 디바이스든 공통적으로 가지고 있는 기능들은 General device-driver interface를 통해 제공된다.
각 디바이스마다 따로 적용되는 Device program이 존재한다.

Protection and Security

• Protection : 접근 제어 (controlling access)
• Security : 외부적인 디도스,바이러스 등의 공격을 막는 작업

사용자의 ID를 부여해서 보안성을 가져오고 ID에 따라서 파일 등이 접근제어가 되도록 한다.
Groupid : set of user를 한번에 관리할 때 Group id를 만들어 제어한다.
Escalation : 권한을 높여주는 경우

Computing Environment

1. timesharing, portal, modem등의 전통적 방식
2. Client-Server : 서비스 제공자가 Server로 정해져있고 제공받는 자가 Client로 정해져있다.
3. P2P : 일종의 분산처리 시스템 모델로 "동등한" 컴퓨터끼리 네트워크로 연결되어 서비스 제공자, 제공받는자가 달라질 수 있다.
   서로 연결되어 서비스 제공자, 제공받는자가 되려면 각 컴퓨터가 어떠한 것을 가지고 있는지 서로 확인할 수 있어야하는데 central lookup service로 가능하지만 불법이다.
   따라서, 일일이 하나씩 다 물어보고 다니는 Discovery protocol을 사용한다.

• WEB-Based Computing
  한쪽에 트래픽이 많이 몰릴 수 있는데 load balancer를 통해서 트래픽을 제어한다.

• Cloud Computing
  필요할 때 어디서나 네트워크 연동이 되어있으면 사용할 수 있는 환경을 제공한다.
  network를 통해서 공유하고 있는 자원에 접근하고 필요한만큼 on-demand형태로 사용이 가능하다.(Saas, Paas, Iaas)

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정리

여기까지, OS에 대해서 전반적으로 알아보았다.
OS를 이해하기 위해서는 우선 Computer System을 이해해야하기 때문에 그 동작방식에 대해서 먼저 설명하였다.
다음으로 Computer System에서의 동작에서 OS가 제공하는 기능들에 대해서 알아보며 OS를 훑을 수 있었다.

다음부터는, 하나하나씩 디테일하게 OS에 대해서 더 깊이있는 내용으로 알아보자!

다음글은 Operating-System의 구조에 대해서 자세히 알아볼 예정이다