[CS] OS - 운영체제와 컴퓨터

운영체제

운영체제란 컴퓨터 시스템을 효율적으로 관리하고, 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다룰수 있게 해주는 인터페이스이다.

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
   CPU소유권 할당과, 프록세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
2. 메모리 관리
   한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
3. 디스크 파일관리
   디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
4. I/O 디바이스 관리
   I/O 디바이스(마우스, 키보드)와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

운영체제의 구조

운영체제의 구조는 아래와 같다.

운영체제를 크게 인터페이스(GUI)와 커널 2개의 부분으로 나눌 수 있다.

인터페이스
커널에 사용자 명령어를 전달하고, 사용자에게 실행결과를 알려주는 역할을 한다.
ex) CLI, GUI, NUI, OUI

커널
프로세스 관리, 메모리 관리, 입출력 장치 관리, 파일 관리와 같은 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 곳.
커널의 성능이 운영체제의 성능을 좌우한다.

시스템 콜

시스템 콜(시스템 호출)이란 운영체제가 커널에 접근 하기 위한 인터페이스이다.

유저프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 유저모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행된다.

위의 그림은 시스템콜의 동작을 그림으로 나타낸 것이다.

유저모드에서 파일을 열지 않고, 커널모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저모드로 돌아가 그뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.

이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로 부터 보호할 수 있다.

 

이중 동작 모드

이중 동작 모드(Dual-Mode Operation)이란 운영체제가 두개의 동립된 동작 모드(커널모드, 사용자모드)로 돌아가는 것을 의미한다.

 

두개의 모드를 구분하는 장치가 modebit이다.

말그대로 모드를 구분하는 bit이고, 0은 커널모드를 1은 사용자 모드를 의미한다.

 

위의 예시를 다시 들어보자면,
open()을 통해 특정 파일을 열려고하는 경우에
유저프로그램이 H/W에 접근하여 파일을 열려고 하면 시스템콜이 호출 되고,
트랩이 발생하여, 모드비트가 0으로 전환된 뒤, 커널 모드에서 파일에 접근하여 이후 로직을 수행한 뒤,
다시 모드비트를 1로 변경하고 유저모드로 전환된다.

컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스컨트롤러 등으로 이뤄져 있다.

CPU

cpu는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어있는 컴퓨터 장치이다.
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.

커널이 프로그램을 메모리에 올려서 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.

인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠시 정지시키는 것을 말한다.
CPU는 인터럽트가 발생되면 하던 일을 잠시 멈추고, 우선적으로 처리해야할 일을 처리한 뒤
원래 동작으로 돌아온다.

 

크게 하드웨어 인터럽트와, 소프트웨어 인터럽트로 나뉘어 진다.

하드웨어 인터럽트
CPU 외부로부터 인터럽트 요구신호에 의해 발생되는 인터럽트
ex) I/O, Power fail(전원 공급이상), Machin check(cpu 기능오류), External(오퍼레이터나 타이머에 의해 프로그램의 중단)

소프트웨어 인터럽트
흔히 트랩이라고 한다.
프로그램의 오류에 의해 생기는 인터럽트이다.
ex) 프로그램 검사 인터럽트(0으로 나누는 경우, overFlow 등등), SVC 인터럽트

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터에 등록된,
해당 인터럽트 발생 시 처리해야할 루틴(ISR = 인터럽트핸들러) 이 실행 된다.

인터럽트에는 우선순위가 있고, 우선순위에 따라 실행된다.

인터럽트 우선순위

Power > Machin check > External > Porgram check > SVC

제어 장치

제어장치(CU)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
입출력 장치 간 통신을 제어하고, 명령어들을 읽고 해석하며 데이터처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터

레지스터는 CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억 장치이다.
CPU와 직접 연결되어 있어서 연산속도가 수십배에서 수백배까지 빠르다.
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치

산술논리연산장치(ALU)는 두숫자의 산술연산과, 배타적 논리합 논리곱 같은 논리연상을 계산하는 디지털 회로이다.

DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 I/O디바이스가 메모리에 직접접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치.

CPU의 부하를 막아주며, CPU의 일을 부담한다.
하나의 일을 CPU와 DMA 컨트롤러가 중복 처리하지 않게끔 한다.

메모리

메모리는 전자회로에서 데이터나 상태 명령어 등을 기록하느 장치이다.

보통 RAM을 일컬어 메모리라고 한다.

 

CPU는 계산을, 메모리는 기억을 담당한다.

메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.