운영체제: 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
- 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배
- 하드웨어와 소프트웨어를 관리
- cf) 펌웨어: 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것
컴퓨터: CPU, 메모리 등으로 이루어짐
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
- 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리
- I/O 디바이스 관리: 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받은 것을 관리
운영체제의 구조
GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분이 운영체제를 지칭
- GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있음
커널
- 운영체제의 핵심 부분
- 시스템콜 인터페이스 제공
- 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리
시스템콜
- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
- 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩 발동 → 올바른 I/O 요청인지 확인 → 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환
프로세스나 스레드에서 운영체제로 요청을 보낼 때, 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됨
장점
- 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음
- 시스템콜은 하나의 추상화 계층으로, 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있음
modebit
- 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분
- 0(커널 모드) 또는 1(유저 모드)
- I/O 디바이스가 운영체제를 통해서만 작동하도록 하는 장치
유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때
- 시스템콜 호출
- modebit 1에서 0으로 변경 (커널 모드로)
- 카메라 자원을 이용한 로직 수행
- modebit 0에서 1로 변경 (유저 모드로)
유저 모드
유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
커널 모드
모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
컴퓨터의 요소
컴퓨터 구성요소: CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등
CPU
- Central Processing Unit
- 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성됨
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행
- 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 처리
제어장치
- CU(Control Unit): 프로세스 조작을 지시
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
레지스터
- CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
산술논리연산장치
- ALU(Arithmetic Logic Unit)
- 산술 연산과 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
CPU의 연산 처리
- 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드 + 레지스터에도 로드
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
- 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장
인터럽트
- 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨
- 인터럽트 간의 우선순위에 따라 실행됨
하드웨어 인터럽트
- 키보드, 마우스 연결 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
- 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스의 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행
소프트웨어 인터럽트
- 트랩이라고도 하며, 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동
DMA 컨트롤러
- IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU 부하를 막아주고 CPU의 일을 부담
- 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지
메모리
- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
- 보통 RAM을 말함
타이머
- 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
디바이스 컨트롤러
- 컴퓨터와 연결되어있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
- 로컬 버퍼: 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리
