운영체제와 컴퓨터

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할딩 및 반환을 관리한다.
2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리한다.
4. I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

운영체제의 구조

 

시스템 콜

• 시스템 콜이란 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.
• 유저 프로그램이 I/O 요청으로 인터럽트를 발생시키면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
• 예를 들어서 I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동했다면 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.
• 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있다.
• 시스템 콜은 하나의 추상화 계층이다. 따라서 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 유저 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두고, 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
커널 모드 : 모든 자원(드라이버, 메모리, CPU 등)에 접근, 명령할 수 있는 모드

 

modebit

• 시스템 콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. -> 시스템 콜을 호출하면 1을 0으로 바꿔준다.
• 1(유저모드) 또는 0(커널모드)의 값을 가지는 플래그 변수이다.
• 유저 모드에서 I/O 디바이스를 사용할 수 있으면 해킹이나 여러 프로그램에서 하드웨어를 사용하며 충돌이 일어날 수 있다. 따라서 modebit가 0일 때만 I/O 디바이스를 사용할 수 있게 해준다.

커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템 콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

 

컴퓨터의 요소

CPU

• CPU는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.
• 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.

제어장치

• 제어장치는 명렁어 레지스터(IR)에서 읽어들인 명령어를 해독 후 해당하는 장치에게 제어 신호를 보내 정확하게 수행하도록 지시한다.
• PC(프로그램 카운터), IR(명령어 레지스터), 부호기(제어신호 발생기), 명령어 해독기 등으로 구성된다.

레지스터

• 레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다.
• CPU 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간 결과값을 임시적으로 기억한다.
• 새로운 데이터를 받을 시 기존 내용은 지워지고 새로운 내용만을 기억한다.

산술논리연산장치

제어 장치의 명령에 따라 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

 

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 레지스터에 계산할 값을 로드한다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다.

인터럽트

• 인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.
• 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.
• 인터럽트가 발생되면 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
• 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
• 소프트웨어 인터럽트
  
  • 소프트웨어 인터럽트는 트랩이라고도 한다.
  • 예외나 프로세스가 시스템 콜을 호출할 때 발동한다.
• 하드웨어 인터럽트
  • 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
  • 운영체제의 처리가 필요한 상황에서 하드웨어나 주변 기기가 CPU에게 신호를 보내어 발생시킨다.

DMA 컨트롤러

• DMA 컨트롤러는 I/O 장치와 메모리간의 데이터 전송을 CPU의 개입없이 직접 수행하도록 돕는 하드웨어 장치이다.
• 예를 들어 파일 데이터를 메모리로 읽어오거나 저장하는 것을 DMA 컨트롤러에서 처리한다.
• CPU가 다른 복잡한 작업에 집중할 수 있도록 하여 효율성을 높인다.

메모리

• 메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM을 일컫는다.
• CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.

타이머

특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다.

 

디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻한다.