운영체제 기본 개념

운영체제(OS, Operating System)란?
사용자가 컴퓨터를 사용하기 위해 필요한 모든 시스템을 제어하고, 일반적으로 컴퓨터를 사용하면서 실행한 프로그램을 관리하고 제어하는 시스템 소프트웨어로, 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치됨

프로그램의 실행
- 프로그램: 실행 전에 file system 안에 파일 형태로 저장되어 있음
- 프로세스: 프로그램을 실행하면 메모리에 올라가서 프로세스가 됨

컴퓨터 시스템 구조

출처 : 이화여대 반효경 교수님 운영체제 강의 (http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323)

CPU(Central Processing Unit)

CPU는 기본적으로 매 clock cycle마다 메모리에서 기계어로 된 명령어를 읽어서 작업 수행

 

Interrupt line

CPU가 메모리에서 명령을 읽어서 실행할 때, 만약 도중에 키보드 입력이 들어오거나 디스크에서 데이터를 가져오는 요청이 오는 등 I/O 장치의 신호가 들어온다면 CPU에 이를 전달해야 하고, 반대로 CPU가 I/O 장치에 일을 시킬 수도 있어야 함

 

CPU는 연산 속도가 I/O 장치보다 훨씬 더 빠르지만, 한 번에 하나의 작업밖에 수행할 수 없음. 따라서, 프로그램이 실행될 때 I/O 처리 등 시간이 오래 걸리는 작업이 있으면 프로그램을 일시 정지시킴 → 인터럽트(Interrupt)

 

인터럽트가 발생했는지를 감지하는 요소가 Interrupt line임. CPU의 하나의 명령어를 실행할 때마다 인터럽트 라인을 확인하며 인터럽트가 발생했는지 확인함

 

modebit

현재 CPU의 제어권이 운영체제에 있는지, 아니면 사용자 프로그램에 있는지 구분하게 해주는 역할로, modebit가 0이면 OS, 1이면 사용자 프로그램이 CPU에서 실행되고 있는 것

 

registers

CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치로, CPU와 직접 연결되어 있기 때문에 연산 속도가 메모리보다 훨씬 빠름
PC(Program Counter)라는 레지스터가 다음 번에 실행해야 할 명령어가 담긴 메인 메모리의 주소를 가지고 있어, CPU는 이 레지스터에 담긴 주소에서 명령어를 받아와서 실행함

 

Timer

타이머는 하나의 프로그램이 무한루프 등으로 CPU를 독점하는 것을 막기 위해 컴퓨터에 존재하는 하드웨어 장치

처음 컴퓨터를 켜면 OS가 메모리에 올라가고, 이 OS는 각각의 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨줌. 이때, 타이머에 일정 시간을 세팅한 후 프로그램에게 CPU를 넘겨줌으로써 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막음

 

CPU가 프로그램을 실행할 때 타이머에 지정한 시간이 끝나면, 타이머는 타이머 인터럽트를 발생시켜서 시간이 끝났음을 알려줌. CPU는 타이머 인터럽트를 받으면 프로그램 실행을 중단하고, CPU의 제어권은 자동으로 다시 OS에게 넘어감. OS는 다시 CPU를 다른 사용자 프로그램에게 넘겨주고(타이머 걸고 넘겨줌), 타이머 시간이 끝나면 다시 CPU 제어권이 OS에 넘어오는 과정을 반복하면서 CPU가 번갈아가면서 여러 프로그램을 실행할 수 있게 됨

 

Memory

CPU의 작업 공간으로, 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치

CPU는 매 clock cycle마다 메모리에서 기계어를 읽어서 작업을 실행함. 메모리도 I/O 장치와 같은 장치의 일종이기 때문에 전담 memory controller를 가짐.

 

원칙적으로 메인 메모리에는 CPU만 접근 가능함. I/O 장치들은 메모리에 접근할 수 없으며, 각 장치에 따로 존재하는 local buffer에 데이터를 저장하고 작업을 수행함. 다만 DMA Controller라는 장치는 너무 많은 인터럽트 발생을 막기 위해 CPU와 함께 메모리에 접근할 수 있음.

이때, CPU와 DMA Controller가 동시에 메모리에 접근하면 데이터 일관성이 깨지는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에 memory controller가 접근 순서 등을 조율해 한 번에 하나의 장치만 메모리에 접근할 수 있도록 함.

I/O Device

컴퓨터와 별개의 장치로, 키보드, 마우스, 프린터, 모니터, 하드디스크 등이 포함됨. 하드디스크의 경우 주로 보조기억장치라고 부르지만, 컴퓨터의 메모리에 데이터를 올리거나 메모리에서 데이털르 가져오는 작업 때문에 I/O Device라고 볼 수 있음.

 

Device Controller

각 I/O 장치에 붙어서 해당 장치를 관리하고 전담하는 일종의 작은 CPU로, 예를 들면 디스크의 헤드가 어떻게 움직일지 컨트롤하는 것이 디스크의 device controller의 역할

 

Local Buffer

컴퓨터에 CPU의 작업 공간인 메모리가 있듯이, 각 I/O 장치에도 device controller의 작업 공간이 필요함. 이 각 장치의 작업 공간을 lcoal buffer라고 부름
I/O 장치에서 발생한 데이터가 local buffer에 저장됨. local buffer에 작업 내용이 쌓이면 인터럽트가 발생하고, CPU가 local buffer의 내용을 읽어서 자신의 작업 공간이 메모리에 복사해옴

 

DMA(Direct Memory Access) Controller

많은 인터럽트에 의한 CPU 부하를 방지하기 위한 장치로, 기존에는 I/O 장치에서 인터럽트가 발생하면 CPU가 하던 일을 중단하고 I/O 장치의 local buffer의 내용을 자신의 메모리로 가져와서 작업을 수행해야 했음.

DMA Controller는 CPU를 대신해 I/O 장치의 local buffer에 내용이 쌓이면 이 내용을 메모리로 복사해주고, 이 작업이 끝나면 CPU에 한 번만 인터럽트 걸어 작업이 끝났음을 알림

 

운영체제의 구조

• 인터페이스: 서로 다른 시스템요소들이 상호작용할 수 있게 도와주는 매개체
  User ↔️ OS, OS ↔️ HW의 상호작용
  ex) CLI(명령어 인터페이스), GUI(그래픽 유저 인터페이스)
• 시스템콜: 응용 프로그램이 OS의 기능을 호출할 때 사용하는 인터페이스로, 응용 프로그램이 OS에 직접 접근을 방지함
  ex) read(): 파일 읽기, fork(): 프로세스 생성
• 커널: 운영체제의 핵심 요소로, HW와 직접 상호작용하며 메모리, CPU, IO, 파일 시스템 등을 관리하는 SW
• 드라이버:HW와 OS 간의 소프트웨어 인터페이스 역할로, 각 하드웨어 장치는 운영체제와 서로 다르게 작동할 수 있기 때문에, 드라이버는 이들 장치가 운영체제와 호환되도록 해줌
  ex) 프린트 드라이버, 그래픽 카드 드라이버
  
  

운영체제의 역할

1. 컴퓨터 시스템의 자원(프로세스, 메모리, I/O 장치 등)을 효율적으로 관리함
   사용자가 여러 명일 경우 각 사용자 간 형평성 있게 자원을 사용할 수 있도록 분배함
   ① CPU관리: CPU 스케줄링
   메모리에는 실행 중인 프로그램이 다수 적재될 수 있지만, CPU가 이들 모두를 동시에 실행할 수 없다. 운영체제는 실행 중인 모든 프로그램들이 공정하고 합리적으로 CPU를 할당받도록 CPU의 할당 순서와 사용 시간 결정한다.
   ② 메모리 관리: 가상 메모리
   새롭게 실행되는 프로그램을 메모리에 적재하고, 종료된 프로그램을 메모리에서 삭제한다. 즉, 동시에 낭비되는 메모리 용량이 없도록 효율적으로 관리한다.
   ③ 파일/디렉터리 관리: 파일 시스템
   보조기억장치를 효율적으로 관리하기 위해 파일 시스템을 활용한다. 파일 시스템은 보조기억장치 내의 정보를 파일 및 폴더 단위로 접근과 관리할 수 있도록 만드는 운영체제 내부 프로그램이다.
2. 프로세스 및 스레드 관리
   '실행 중인 프로그램'의 대상을 프로세스라고 하고, 이 프로세스를 이루는 실행의 단위를 스레드라고 한다. 메모리에는 여러 프로세스가 적재될 수 있는데, 운영체제는 이 프로세스에 필요한 자원을 할당하고 , 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용해 프로세스의 작업을 수행한다.
   - 프로세스를 이루는 스레드가 2개 이상인 경우 동일한 작업을 동시에 수행할 수 있다.
3. 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경 제공
   하드웨어를 사용자가 직접 다루지 않아도 컴퓨터를 사용할 수 있게 해주며, 여러 가지 프로그램을 동시에 실행할 수 있도록 다중 작업(multi tasking) 지원함
   - 멀티태스킹(Multitasking): 여러 개의 프로그램이 동시에 실행되는 방식으로, 하나의 CPU에서 동시에 프로그램을 실행하는 것이 아니라, 각각의 프로그램에 아주 짧은 시간을 번갈아가면서 분배해서 마치 동시에 실행되는 것처럼 보이게 하는 방식
   이를 Multiprogramming(여러 프로그램이 메모리에 올라가 있음을 강조), Time Sharing(CPU의 시간을 분할해서 쓴다는 것을 강조)이라고도 함
   - 멀티프로세서(Multiprocessor): 하나의 컴퓨터에 CPU(processor)가 여러 개임을 의미, 멀티 태스킹과 전혀 다른 의미

커널의 역할

운영체제의 모든 부분을 항상 메모리에 올려두는 것은 어렵기 때문에, 운영체제의 가장 핵심인 커널만을 메모리에 상주함
따라서, 좁은 의미에서 운영체제의 핵심인 커널만을 운영체제라고 부르기도 함

1. 프로세스 관리
   커널은 여러 프로세스를 효율적으로 관리하고, 프로세스 간 충돌 없이 시스템 자원을 공정하게 분배하기 위한 관리
   • 프로세스 스케줄링: CPU 자원을 여러 프로세스에 할당하는 방식으로, 다양한 스케줄링 알고리즘(ex: FIFO, RR, SRT 등)을 사용해 효율성을 높임
   • 프로세스 동기화: 여러 프로세스가 공유 자원을 동시에 사용하지 않도록 제어(뮤텍스, 세마포어)
   • 프로세스 생성 및 종료: 새로운 프로세스 생성하고, 작업을 완료한 프로세스 종료하는 작업을 관리\
2. 메모리 관리
   커널은 시스템의 물리적 메모리(RAM)를 효율적으로 배분하고, 프로세스들이 필요한만큼 메모리를 사용할 수 있도록 관리
   • 메모리 할당: 각 프로세스가 실행되는 동안 필요한 메모리 공간을 할당(연속 할당, 페이지 할당, 세그먼트 할당 등)
   • 가상 메모리: 실제 물리적 메모리보다 큰 메모리를 제공하는 방법으로, 하드 디스크의 일부를 가상 메모리로 사용해 프로그램을 실행할 수 있게 함 → 페이징과 세그멘테이션 기술 사용해 메모리 관리
   • 메모리 보호: 각 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 침범하지 않도록 보호하는 기능 제공
   • 메모리 해제: 사용이 끝난 메모리 공간을 해제해 다른 프로세스가 사용할 수 있게함
3. 입출력 장치 관리
   커널은 하드웨어 장치(디스크, 프린터, 네트워크 장치 등)와의 데이터 송수신을 관리
   • 디바이스 드라이버: 각 장치에 맞는 드라이버를 통해 하드웨어와의 상호작용 관리
   • 장치 스케줄링: 여러 입출력 요청을 처리하기 위해 장치에 대한 접근 순서 관리(FCFS, SSTF, SCAN 등)
   • 버퍼링: 입출력 장치의 속도 차이를 해결하기 위해 데이터를 일시적으로 저장하는 버퍼를 사용해 데이터 송수신을 원활하게 함
   
4. 파일 시스템 관리
   커널은 데이터를 효율적으로 저장하고, 파일을 관리
   • 파일저장: 데이터를 파일로 저장하고, 해당 파일을 디스크에 안전하게 보관함. 파일은 디렉토리 구조를 통해 관리되며, 파일에 대한 경로를 설정해 접근 가능
   • 파일 할당 방법: 디스크 상에서 파일이 저장되는 방법을 관리(연속 할당, 링크 할당, 색인 할당 등)
   • 파일 접근 제어: 파일에 대한 읽기, 쓰기, 실행 등의 권한을 설정해, 사용자가 특정 파일에 접근할 수 있도록 제어
   • 파일 복구: 시스템 충돌 등으로 인한 데이터 손실을 방지하기 위해 파일 복구 방법 제공
5. 보안 및 권한 관리
   커널은 시스템 자원에 대한 불법적인 접근을 방지하고, 사용자가 시스템 자원을 적절하게 사용할 수 있도록 보안 유지
   • 사용자 인증: 시스템에 접근하려는 사용자 확인하는 방법(비밀번호, 생체 인식, 이중 인증 등)
   • 권한 관리: 각 사용자나 프로세스가 접근할 수 있는 자원을 제한함
   • 암호화: 데이터를 암호화해 불법적인 접근으로부터 보호
   • 방화벽 및 침입 탐지 시스템: 외부의 악의적인 접근을 차단하고, 시스테에 대한 공격을 탐지해 보안 강화

커널의 종류

커널 종류(단일형 커널, 마이크로 커널)

1. 단일형 커널
   하나의 커널이 그 운영체제에서 일어나는 입출력, 네트워크, 디바이스 지원 등 모든 일을 다 처리하는 방식
   • 연산을 제공하는 모듈을 같은 주소 공간 안에서 실행시키기 때문에 코드가 매우 집적도 높게, 조밀하게 짜여져 있음 → 수정이 어렵고, 하나의 모듈만 오류가 있어도 시스템 전체가 멈출 수 있다는 문제 존재
   • 하지만 그 하나의 코드가 신뢰할만큼 완전하다면 컴포넌트의 집적도가 높기 때문에, 처리 속도가 빠르고, 디자인이 깔끔하다는 장점도 있음
2. 마이크로 커널
   단일형 커널과 달리 하드웨어 위에 매우 간결한 추상화만 제공하고, 모놀리식 커널이 제공하는 네트워킹 같은 서비스는 서버로 구현함
   • 안정성 높이고 커널 크기도 줄이고 보안도 높지만, 전반적인 퍼포먼스가 저하됨
3. 혼합형 커널
   본질적으로 마이크로 커널을 따르나 사용자 레벨(서버)에서 사용하면 느린 코드들은 커널 레벨에서 사용하도록 수정한 것

메모리 영역 내 커널 영역과 사용자 영역

사용자 프로그램과 달리 운영체제는 매우 특별한 프로그램이기 때문에 메모리 내의 커널 영역이라는 공간에 따로 적재되어 실행된다. 커널 영역 외에 사용자 응용 프로그램이 적재되는 공간은 사용자 영역이라고 한다.

즉, 운영체제의 기능을 제공받기 위해서는 커널 영역에 적재된 운영체제 코드를 실행해야 한다.

이중모드(유저모드와 커널모드)와 전환

이중모드 이유

유저 애플리케이션이 시스템 자원이 직접 접근하는 것을 방지하고, 커널에 직접 영향을 끼칠 수 없도록 방지하기 위한 하드웨어적 지원 장치 → 안정성과 보안성 강화

유저모드

유저모드는 애플리케이션이 실행되는 모드로, 프로세스가 HW에 직접 접근하거나 시스템 자원에 접근할 수 없음

• 사용자를 위한 동작 담당
• 시스템 데이터에 제한된 접근만이 허용됨
• 유저 애플리케이션은 시스템 콜하면 유저모드에서 커널 모드로 전환됨
• CPU 유저모드 특권 수준으로 코드 실행
• 유저모드에서 실행되는 스레드는 자신만의 유저모드 스택을 가짐

커널모드

커널모드는 운영체제의 핵심 부분인 커널이 실행되는 모드로, 모든 시스템 자원에 접근할 수 있는 권한을 가짐. 즉, 유저모드와 달리 HW 접근이나 자원 접근 가능

• 수퍼바이저 모드, 시스템 모드로 불림
• 운영체제를 위한 동작 담당
• 시스템의 모든 메모리에 접근 가능하고, 모든 CPU 명령 실행 가능
• 운영체제 코드나 디바이스 드라이버 같은 커널모드 코드 실행
• CPU는 커널모드 특권 수준에서 코드 실행

유저 모드 ↔️ 커널 모드의 전환

모드 전환은 시스템 콜, 인터럽트 두 가지에 의해 발생함

* 시스템 콜(소프트웨어 인터럽트)은 유저모드에서 실행되는 프로그램이 운영체제의 커널모드에 요청을 보내는 것으로, 유저모드에서는 제한된 접근권한을 갖기 때문에 시스템 콜을 이용해 커널 모드로 전환 후 자원에 접근 가능(ex: 자원에 접근하는 입출력 명령어)

* CPU가 유저 모드로 실행 중인지, 커널 모드로 실행 중인지는 CPU 속 플래그 레지스터 내 수퍼바이저 플래그를 통해 알 수 있다.

모드 비트

커널 모드와 유저 모드를 구분짓기 위해 모드 비트라고 하는 하나의 비트가 추가됨 → 커널 모드(0)과 유저 모드(1)
• 시스템 부팅 시 하드웨어는 커널모드에서 시작되는데, 그 다음 운영체제가 적재되고 유저모드에서 사용자 프로스세가 시작되게 함. 트랩이나 인터럽트가 발생할 때마다 하드웨어는 커널모드로 전환함

• 유저모드에서 불법적인 명령을 실행하게 되면, 하드웨어는 운영체제로 트랩을 발생시키게 되면서 커널모드에 접근할 수 없음

모드 전환

1. 시스템 콜 요청(User Mode)
   ex) 파일을 열고자할 때 유저 프로그램이 open() 함수 호출
2. 모드 전환(User Mode → Kernel Mode)
   시스템 콜이 호출되면, 운영체제는 인터럽트를 사용해 유저모드에서 커널모드로 전환
   이때, CPU는 현재 모드인 유저 모드에서 실행 중인 프로세스를 중단하고, 전환 과정에서 유저모드에서의 중단 지점을 기억하기 위해 프로세스 컨텍스트가 저장됨
3. 커널 모드에서의 처리(Kernel Mode)
   커널 모드로 전환되면, 시스템 콜을 처리하는 커널의 코드가 실행됨
4. 모드 전환(Kernel Mode → User Mode)
   커널이 작업을 처리한 후, 결과를 유저 프로그램에 반환함. 그 후 다시 유저모드로 전환되어 애플리케이션이 다시 실행됨. 이때, 커널은 과정2에서 저장해둔 컨텍스트를 복원해 이전에 중단된 위치에서 실행을 재개할 수 있게 함
5. 시스템 콜 반환(User Mode)
   유저 프로그램은 커널이 처리한 결과를 받게 되고, 이후 유저 모드에서 다시 작업을 계속 수행함

시스템 콜

구분	시스템 콜	설명
프로세스 관리	fork()	새 자식 프로세스 생성
	execve()	프로세스 실행(메모리 공간을 새로운 프로그램의 내용으로 덮어씌움)
	exit()	프로세스 종료
	waitpid()	자식 프로세스가 종료할 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
	rmdir()	비어있는 디렉터리 삭제
파일 시스템 관리	mount()	파일 시스템 마운트
	umount()	파일 시스템 마운트 해제

 

프로세스 계층 구조
fork() 시스템 콜을 통해 프로세스는 시스템 콜을 통해 또 다른 프로세스를 생성하고, 생성된 프로세스는 또 다른 프로세스를 생성할 수 있다. 많은 운영체제에서 프로세스들은 계층적으로 관리된다.
이때 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다.

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참고 사이트

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다.

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접 | 강민철 - 교보문고

운영체제 기본 개념

[운영체제] 1. 운영체제 기본 개념 : 커널, 시스템콜, 인터럽트, DMA, 멀티프로그래밍 시스템

이중 모드

[운영체제] 이중 동작 모드(Dual-mode Operation)

커널 종류

커널 (kernel), 운영체제 (operating system) 란?

컴퓨터 시스템 구조

[운영체제] 운영체제의 역할과 구조, 컴퓨터 시스템 구조