운영체제와 컴퓨터

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1. 운영체제의 역할 운영체제의 역할은 크게 네 가지가 있다. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리 I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리 간단하게 정리하자면 운영체제는 CPU라는 연산 일꾼에게 어떤 작업을 어떤 순서로 맡길지 정하고, 연산 일꾼에게 작업을 줄 때 뇌용량을 얼마나 쓸지 정해주며, 작업한 결과 같은 것들은 어떻게 보관할지, 작업한 걸로 어떻게 팔다리를 쓸지 같은 것들을 제어해주는 느낌이라고 보면 된다. 비유가 좀 이상하긴 하다 2. 운영체제의 구조 (그림 3-1) 위 그림과 같이 6개의 구조에서 양 끝인 유저 프로그램과 하드웨어를 제외한 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버의 구조를 운영체제로 지칭한다. GUI는 사용자가 전자장치와 상호작용 할 수 있게 해주는 그래픽 기반 사용자 인터페이스이고, 드라이버는 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어이다. 시스템콜 (그림 3-2) 시스템콜은 OS가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이자, 유저 프로그램이 OS의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 실행할 때 쓰인다. 예를 들어 I/O요청인 fs.readfile() 을 쓴다고 했을 때 유저 모드에서 바로 파일을 읽는게 아닌 커널 모드에 들어가서 파일을 읽고 다시 유저모드로 돌아가 임무를 수행하는 방식으로 컴퓨터 자원에 대한 직접적인 접근을 차단할 수 있다. modebit modebit는 시스템콜이 작동될 때 유저 모드와 커널 모드를 그 값이 0과 1로 구분하기 위한 플래그 변수이다. (그림 3-4) 위 그림과 같이 반드시 운영체제가 관리해야 하는 프로그램인 카메라와 같은 하드웨어를 제어할 때 modebit를 통해 유저모드와 커널모드를 변경해가며 구분하는 것을 볼 수 있다. 3. 컴퓨터의 요소 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. (그림 3-5) CPU 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치. OS의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 처리하는 방식이다. 산술논리연산장치는 산술 연산과 논리 연산을 계산하는 디지털 회로, 제어장치는 입출력 간 통신제어와 명령어를 읽고 해석하며 데이터 처리 순서를 결정하는 부품, 레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치이다. (그림 3-7) CPU는 다음과 같은 순서로 연산을 처리한다. 제어장치가 계산할 값을 메모리와 레지스터에 로드. 제어장치가 레지스터 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령 제어장치가 계산된 값을 레지스터에서 메모리로 저장. 인터럽트 는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다. 인터럽트가 발생되면 인터럽트 벡터에 모여있는 인터럽트 핸들러 함수 중 하나를 실행한다. 인터럽트 간 우선순위가 있으며, 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나눌 수 있다. 하드웨어 인터럽트는 I/O 디바이스 연결과 같은 인터럽트를 말하고, 소프트웨어 인터럽트는 트랩이라고도 불리며 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동된다. DMA 컨트롤러 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치. CPU의 인터럽트 부담을 줄여주며 하나의 작업을 할 때 CPU와 동시에 작업하는 것을 금함. 메모리 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며 CPU가 계산이라면 메모리는 작업공간과도 같다. 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다. 타이머 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다. 디바이스 컨트롤러 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU

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