목차
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.
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.
