[혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제] 09. 운영체제 시작하기

운영체제를 알아야 하는 이유

모든 프로그램은 실행을 위해 자원을 필요로 함

• 자원/시스템 자원: 프로그램 실행에 있어 마땅히 필요한 요소
• 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품 포함됨

운영체제

운영체제는 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램이다.

• 운영체제는 메모리에 적재되어 실행됨 → 커널 영역에 적재됨(운영체제는 특별한 프로그램이기 때문에 특별한 영역에 적재됨)
• 메모리는 크게 커널 영역과 사용자 영역으로 나뉨

메모리 내 운영체제(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

1. 운영체제의 메모리 관리

• 새로운 프로그램을 실행하려고 할 때, 운영체제는 메모리 공간 내 비어있는 공간에 프로그램을 적재함
• 반대로, 더 이상 사용되지 않는 프로그램은 메모리 내에서 제거함

운영체제의 메모리 관리(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

2. 운영체제의 CPU 관리

• 여러 프로그램을 동시에 실행하면, 운영체제는 사람이 인지하지 못할 정도로 빠르게 번갈아가면서 프로그램을 실행시킴
• 운영체제는 어떤 프로그램을 먼저 실행할지 등 결정함

운영체제의 CPU 관리(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

3. 운영체제의 입출력장치 관리

• 보조기억장치에 있는 정보들을 파일 혹은 폴더로 관리해줌
• 현재 사용 중인 입출력장치를 다른 입출력장치가 사용하길 원할 때 조율하는 등 입출력장치 관리

운영체제의 입출력장치 관리(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

 

﹡즉, 운영체제는 응용 프로그램과 하드웨어 사이에 위치해서 연결해주는 프로그램임. 하드웨어랑 가까운 곳에 위치해 프로그램들이 원하는 자원들을 할당해주고 올바르게 실행되도록 해줌

운영체제(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

• 운영체제는 '정부'와 같이 다양한 컴퓨터의 자원들을 여러 프로그램에게 배분해주고, 문제가 생기지 않도록 관리해줌
• 정부에 여러 부서가 존재하는 것처럼, 운영체제 내부에서도 컴퓨터의 자원 별로 묶여있음

정부와 운영체제(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

 

﹡운영체제 없이 프로그램을 개발한다면, 하드웨어를 직접 접근하고 조작하는 코드를 개발자가 작성해야함

 

❓운영체제를 개발자가 알아야 하는 이유

운영체제는 프로그램을 위한 프로그램임. 그렇기 때문에 프로그램을 만드는 개발자는 운영체제를 알아야함

• 운영체제는 프로그램이기 때문에 오류메시지를 통해 개발자와 대화할 수 있음 → 문제해결능력 높아짐

운영체제와 개발자(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

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운영체제의 큰 그림

운영체제는 현존하는 프로그램 중 규모가 가장 큰 프로그램 중 하나임

또한, 다양한 종류의 운영체제 존재함(ex: windows, macOS, Linux, android, iOS 등)

즉, 운영체제가 제공하는 기능은 다양하지만, 가장 핵심적인 서비스는 존재함

커널

커널은 운영체제의 심장으로, 운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분임

• 자원에 접근하고 조작하는 기능
• 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능 등

커널

유저 인터페이스(UI;User Interface): 사용자와 상호작용하는 통로(GUI, CLI)로, 운영체제에는 속하지만 커널에 속하지 않는 기능임

시스템 콜(=시스템 호출)와 이중 모드

자원에 직접 접근은 위험하기 때문에 사용자가 실행하는 프로그램은 자원에 직접 접근할 수 없음! 

자원에 직접 접근의 문제점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

운영체제는 응용 프로그램들이 자원에 접근하려 할때 오직 자신을 통해서만 접근하도록 하여 자원을 보호함

• 즉, 응용 프로그램이 자원에 접근하려면 운영체제에 도움을 요청(=운영체제의 코드를 실행)해야 함

운영체제 문지기 역할(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

ex) 응용 프로그램이 하드 디스크에 접근할 때, 아래 그림과 같이 운영체제를 거친 후 접근 가능함

운영체제를 통한 자원 접근 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

 

이중 모드

CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 커널 모드로 구분함

 

1) 사용자 모드

• 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드
• 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 실행 모드
• 자원 접근 불가

2) 커널 모드

• 운영체제의 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드
• 자원 접근을 비롯한 모든 명령어 실행 가능

이중모드 상태는 CPU 내의 플래그 레지스터 중 하나인 슈퍼바이저 플래그를 통해 알 수 있음

슈퍼바이저 플래그: 커널 모드로 실행 중인지, 사용자 모드로 실행 중인지를 나타냄.
- 슈퍼바이저 플래그가 1일 경우 커널 모드로 실행 중임을 의미
- 슈퍼바이자 플래그가 0일 경우 사용자 모드로 실행 중임을 의미

 

ex) 입출력 장치에 접근하는 명령어 실행하기 위해서는 커널 모드로 실행해야 함

이중 모드 예시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

 

시스템 호출

커널 모드로 전환해 실행하기 위해 호출하는 일종의 소프트웨어 인터럽트

• 시스템 호출이 처리되는 방식은 하드웨어 인터럽트 처리 방식과 유사함

시스템 호출(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

• 실행 흐름 동안 사용자 모드와 커널 모드 전환이 빈번하게 발생함

실행 흐름 속 시스템 호출(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

• 시스템 호출은 운영체제마다 정해져 있음

종류	시스템 호출	설명
프로세스 관리	fork()	새 자식 프로세스 생성
	execve()	프로세스 실행(메모리 공간을 새로운 프로그램의 내용으로 덮어씌움)
	exit()	프로세스 종로
	waitpid()	자식 프로세스가 종류할 때까지 대기
파일 관리	open()	파일 열기
	close()	파일 닫기
	read()	파일 읽기
	write()	파일 쓰기
	stat()	파일 정보 획득
디렉터리 관리	chdir()	작업 디렉터리 변경
	mkdir()	디렉터리 생성
파일 시스템 관리	mount()	파일 시스템 마운트
	umount()	파일 시스템 마운트 해제

운영체제의 핵심 서비스

프로세스 관리

• 프로세스 == 실행 중인 프로그램
• 수많은 프로세스들이 동시에 실행
• 운영체제는 동시다발적으로 생성/실행/삭제되는 다양한 프로세스를 일목요연하게 관리
  • 프로세스와 스레드, 프로세스 동기화, 교착상태 해결

프로세스 관리(출처: https://www.youtube.com/watch?v=isj4sZhoxjk&t=190s)

자원 접근 및 할당

• CPU 접근 및 할당: CPU 스케줄링(어떤 프로세스를 먼저, 얼마나 오래 실행할까?)
• 메모리 접근 및 할당: 페이징, 스와핑
• 입출력 장치 접근 및 할당: 인터럽트 서비스 루틴

파일 시스템 관리

• 관련된 정보를 파일이라는 단위로 저장 장치에 보관
• 파일들을 묶어 폴더(디렉터리) 단위로 저장 장치에 보관