1. 운영체제란?
운영체제는 컴퓨터 시스템의 핵심 소프트웨어로, 하드웨어 자원을 관리하고 프로그램을 실행시키는 역할을 합니다.
또한 사용자와 하드웨어 간의 인터페이스를 제공하며, 시스템의 안정성과 보안을 유지하기 위한 다양한 기능을 수행합니다.
2. 운영체제의 역할과 구조
2-1. 운영체제의 역할
2-1-1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리합니다.
2-1-2. 메모리 관리
한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리합니다.
2-1-3. 디스크 파일 관리
디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리합니다.
2-1-4. I/O 디바이스 관리
I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리합니다.
2-2. 운영체제의 구조
2-2-1. 커널
- 커널은 운영체제의 핵심 요소로 시스템콜 인터페이스를 제공하며, 보안, 자원 관리, 하드웨어 추상화 같은 운영체제의 중추적인 역할을 합니다.
- 특히, 자원 관리를 위해 CPU 스케줄링, 메모리 관리, 입출력 관리, 파일 시스템 관리 등을 담당한다.
운영체제는 커널에서 관리하는 중요 자원에 사용자가 쉽게 접근하지 못하도록 커널 모드와 사용자 모드로 모드를 나눕니다.
- 커널 모드 : 하드웨어에 직접 접근해 메모리, CPU와 같은 자원을 사용할 수 있습니다.
- 사용자 모드 : 커널 모드의 자원에 접근할 수 없도록 제한을 둡니다.
2-2-2. 시스템 콜
사용자 모드에서 실행된 프로세스가 자원에 접근하려면 시스템 콜을 호출해 커널에 요청해야 합니다.
- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
- 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
- 시스템콜은 하나의 추상화 계층으로, 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있습니다.
3. 컴퓨터의 요소
3-1. CPU (Central Processing Unit)
- 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할
- 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 처리
3-1-1. 제어장치 (CU, Control Unit)
- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
3-1-2. 레지스터
- CPU 안에 있는 연산 속도가 매우 빠른 임시 기억 장치
- CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름
- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달
3-1-3. 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
- 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
3-2. CPU의 연산 처리
- 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 로드합니다.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령합니다.
- 제어장치가 계산된 값을 다시 ‘레지스터에서 메모리로’ 계산한 값을 저장합니다.
3-3. 인터럽트
- 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 발생하는 경우
- 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트
- 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트
- 프로세스 오류 등
- 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됩니다.
- 인터럽트 핸들러 함수: 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음.
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며, 인터럽트는 하드웨어 인터럽트 / 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉩니다.
3-3-1. 하드웨어 인터럽트
- 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
- 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행합니다.
3-3-2. 소프트웨어 인터럽트 (=트랩 trap)
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발생하는 인터럽트
3-4. DMA 컨트롤러 (Direct Memory Access Controller)
- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 장치
- 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지
3-4-1. DMA
- 직접 메모리 접근(DMA)은 특정 하드웨어 하위 시스템이 CPU와 독립적으로 메인 시스템 메모리에 접근할 수 있게 해주는 컴퓨터 시스템의 기능
- 데이터 전송 작업을 DMA 컨트롤러가 직접 수행하게 하는 방식으로, 그 결과 CPU는 다른 중요한 태스크에 더 많은 시간을 할애할 수 있게 되고 전체 시스템 성능이 향상됩니다.
- 이 방식은 입출력 장치와 메모리 간에 큰 데이터 블록을 빠르게 이동시키는 데 특히 유용하며, 하드 디스크, 그래픽 카드, 네트워크 카드 등과 같은 다양한 하드웨어 장치에서 주로 사용됩니다.
3-5. 메모리
- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치.
- 보통 RAM(Random Access Memory)를 일컬어 메모리라고도 합니다.
- 메모리가 클 수록 많은 일을 동시에 할 수 있습니다.
3-6. 타이머
- 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 거는 역할을 합니다.
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재합니다.
3-7. 디바이스 컨트롤러
- 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU
- 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼(local buffer)는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻합니다.
