1. 운영체제의 역할과 구조
1) 운영체제의 역할
(1) CPU 스케쥴링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환 관리
(2) 메모리 관리
- 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
(3) 디스크 파일관리
- 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
(4) I/O 디바이스 관리
- 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리
2) 운영체제의 구조
- GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분이 운영체제를 지칭
- GUI 가 없고 CUI 만 있는 리눅스 서버도 있다
* GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태,
단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해줌
* CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
* 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
(1) 시스템콜
- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
- 유저 프로그램이 운영체제 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓰임
- 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템콜을
통해 커널 모드로 변환되어 실행됨
- 예) I/O 요청인 fs.readFil() 이라는 시스템 파일을 읽는 함수가 발동했다고 하면 유저모드에서 파일을
읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을
수행하고 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하 ㄹ수 있고 프로그램을
다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다
* I/O 요청 : 입출력 함수, DB, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
- 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 걸쳐 전달됨
- 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 그렇기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 DB 와 같은 낮은 단계의
영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다
A) modebit
- 시스템콜이 작동될 때 modebit 을 참고해서 유저 모드와 커널모드를 구분
- 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수
- 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 자동해야 한다
- 예) 카메라를 켜는 프로그램이 있다고 가정하면 유저모드를 기반으로 카메라가 켜진다면 사용자가
의도하지 않았는데 고격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 할 수 있다
물론 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다 해도 100% 막을 수 없지만 운영 체제를 통해 작동해야
막기 쉬운데 이를 위한 장치가 modebit 이다 0은 커널모드, 1은 유저모드라고 설정됨
- 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며
커널모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행, 이후 modebit을 0에서 1로 바꾸어 유저모드로
변경 후 로직 수행
* 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
* 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
* 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스,
파일시스템, I/O 디바이스, I/O 오청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할
2. 컴퓨터의 요소
1) CPU(Central Processing Unit)
- 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
- 관리자 역할을 하는 웅영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU 가 이를 처리
(1) 제어장치
- 제어장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU 의 한 부품
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
(2) 레지스터
- CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
- CPU 와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십배에서 수백배까지 빠르다
- CPU 는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달
(3) 산술논리연산장치
- 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 덧셉, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술연산과 배타적 논리합, 논리곱
같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
(4) CPU 의 연산처리
- 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예는 아래와 같다
A) 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 로드
B) 제어장치가 레지스터에 있느 ㄴ값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
C) 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장
(5) 인터럽트
- 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU 를 잠깐 정지시키는 것
- 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술연산에서의 인터럽트,
프로세스 오류 등으로 발생
- 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트,
소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉨
* 인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수로 커널 내부의 IRQ 를
통해 호출되며 request_irq() 를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다
A) 하드웨어 인터럽트
- 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생
- 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서
원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행
B) 소프트웨어 인터럽트
- 트랩(trap) 라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동
2) DMA 컨트롤러
- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU 에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU 의 일을 부담하는 보조 일꾼
- 하나의 작업을 CPU 와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지
3) 메모리
- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
- 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 함
- CPU 는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당
- 공장에 비유하면 CPU 는 일꾼, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기이므로 작업장이
클수록 창고에서 물건을 많이 가져다 놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을
동시에 할 수 있다
4) 타이머
- 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
5) 디바이스 컨트롤러
- 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU 를 말함
- 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리이다
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