26. 운영체제 [운영체제, 컴퓨터의 요소]

26. 운영체제

출처 : 면접을 위한 CS전공지식 노트(책 / 강의)

 

운영체제

 

운영체제(OS, Operation System)는 사용자들이 컴퓨터를 더 편리하고 효율적으로 사용할 수 있도록, 컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어 자원을 관리해주는 시스템 소프트웨어다.

 

운영체제의 역할

• 자원 관리 : 컴퓨터 시스템 자원을 효율적으로 관리한다
  • CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 프로세스에 할당을 하는 것을 관리한다
    • 여기서 프로세스는, 메인 메모리에 할당 되어, 실행 상태인 프로그램을 말하는 것이다
    • 여러 프로세스가 열려있다면, 운영체제는 CPU 소유권 각각의 프로세스에게 할당을 한다
  • 메모리 관리 : 프로세스에 메모리를 할당하는 것을 관리한다
    • 메모리는 한정적이라서, 효율적으로 할당을 해야 한다
  • 디스크 파일 관리 : 파일 보관 방법을 관리한다
  • I/O 디바이스 관리 : 키보드, 마우스 같은 디바이스들과 컴퓨터 간의 데이터를 송수신 하는 것을 관리

 

• 자원 보호 : 다른 사용자가 데이터를 삭제 또는 접근하지 못 하도록 컴퓨터 자원을 보호해준다

 

• 인터페이스 제공 : 사용자들이 편하게 기기를 이용할 수 있도록 하드웨어 인터페이스와 사용자 인터페이스를 제공해준다

 

 

운영체제의 구조

 

GUI / CUI

전자 장치와 상호 작용 하는 방법이다

• Graphic User Interface : 클릭, 아이콘 등 사용자들이 보기 편할 수 있도록, 단순한 동작들을 통해 전자 장치와 상호 작용을 한다
• Command User Interface : 오직 명령어로 사용자가 전자 장치와 상호 작용을 하는 것이다

 

 

시스템콜

운영체제에서 커널에 접근하기 위한 인터페이스며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위한 커널 함수를 호출할 때 사용된다

1. 유저가 Open()을 통해 I/O 요청 트랩을 발동한다
2. I/O 요청이 확인이 되면 시스템콜을 통해 유저 모드에서 커널 모드로 변환이 된다
3. 커널 모드에서, 커널 함수를 통해 요청을 실행하게 된다

유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역이며 컴퓨터 자원을 함부로 접근할 수 없다

 

커널 함수 : 커널 모드에 있는 여러가지의 함수다

 

modebit : 시스템 콜이 작동 될 때 modebit을 통해 유저 모드와 커널 모드를 구분한다

• 1은 유저모드
• 0은 커널 모드다

 

 

커널

운영 체제의 핵심이 되는 컴퓨터 프로그램이다.

메모리 위에서 하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 인터페이스를 제공하는 역할과 컴퓨터 자원들을 관리하는 역할을 한다

사용자와 상호 작용은 하지 않지만, 운영체제에서 핵심 역할을 하고 있다

 

 

드라이버

하드웨어를 제어하는 소프트웨어다

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컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다

 

 

CPU (Central Processing Unit)

운영 체제에서 가장 중요한 부분이고, 운영 체제의 뇌라고 할 수 있다

메모리에 존재하는 명령어들을 해석해서 실행한다

• 명령어에 따라 데이터를 인출, 처리, 쓰기를 한

산술논리연산장치, 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있다

step 1에서, 메모리에 올려졌던 값은 레지스터에 올라가게 된다

그리고 step 3 이후, 계산된 값은 다시 레지스터에 올려지면서 메인 메모리에 전달이 된다

 

산술논리연산장치 (Arithmetic Logic Unit, ALU)

• 연산을 담당하는 하드웨어 모듈이다
• 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리연산을 계산하는 디지털 회로

 

제어장치 (Control Unit, CU)

• 프로세서의 조작을 지시하며, I/O 장치 간 통신 및 조율을 제어한다
• 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다

 

레지스터

• CPU 안의 임시 기억 장치다 (CPU 안의 작은 메모리)
• CPU와 직접적으로 연결이 되어 연산 속도는 메모리보다 훨씬 빠르다
• CPU는 저장 장치가 아니기에, 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다

인터럽트

어떤 신호가 들어 왔을 때, CPU를 잠깐 정지시키고, 우선순위가 높은 일부터 처리하는 것이다

하드웨어 인터럽트

• 키보드 또는 마우스 등을 연결하거나 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다

소프트웨어 인터럽트

• 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동 된다

 

 

DMA (Direct Memory Access) 컨트롤러

• I/0 디바이스가 메모리에 접근을 할 수 있도록 도와주는 장치다
• CPU 부하를 막기 위해, CPU의 보조 역할을 한다 (CPU에는 많은 인터럽트 요청이 들어온다)
  • 여기서 DMA 컨트롤러는 CPU와 DMA 컨트롤러가 한번에 똑같은 일을 하는 것을 방지해 주는 역할을 한다

 

 

메모리

RAM (Random Access Memory)를 메모리라고도 한다

전자회로에서 데이터, 상태, 명령어들을 기록하는 장치다

• CPU가 계산을 하면, RAM 또는 메모리는 계산한 데이터를 저장하는 역할을 한다
• 메모리가 크면 클 수록, 더 많은 작업을 할 수 있다

 

 

타이머

• 프로그램의 실행 시간이 너무 오랫동안 지속되는 것을 멈추기 위해 타이머를 걸어놨다
  • 실행 시간이 오래 걸린다는 것은, 프로그램에 문제가 생겼다는 것이다
• 무한 루프에 빠지게 되면, 평생 계산을 해야 하고, 그 계산한 값들 때문에 컴퓨터에 과부하가 걸릴 수 있다

 

 

디바이스 컨트롤러

• I/O 디바이스들의 작은 CPU다