⚡ 운영체제
📌 운영체제와 컴퓨터
⭐ 운영체제(OS, Operation System)
- 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스, 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배한다.
💡
펌웨어(firmware)
운영체제와 유사하나 소프트웨어를 추가로 설치 할 수 없다.
🔷 운영체제의 역할
CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
메모리 관리
- 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마나 할당해야 하는지 관리한다.
디스크 파일 관리
- 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
I/O 디바이스 관리
- I/O(입출력) 디바이스들과 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
🔷 운영체제의 구조
| 유저프로그램 |
|---|
| GUI |
| 시스템콜 |
| 커널 |
| 드라이버 |
| 하드웨어 |
- 유저 프로그램이 맨 위에, 하드웨어가 가장 밑에 있다.
- GUI에서 드라이버에 이르는 부분을 운영체제로 지칭한다.
🤔 용어 설명
💡 GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 돕는다.
💡 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어, 커널 하부를 운영체제로 인정하지 않는 관점에서는 드라이버를 운영체제로 취급하지 않기도 한다.
💡 System call(시스템콜): 사용자 프로그램이 디스크 파일을 접근하거나 화면에 결과를 출력하는 등의 작업이 필요한 경우, 즉 사용자 프로그램이 특권 명령의 수행을 필요로 하는 경우, 운영체제에게 특권 명령의 대행을 요청하는 것이다. 시스템콜을 기준으로 유저모드와 커널모드로 구분한다. 시스템콜은 하나의 추상화 계층이며 modebit(0, 1)플래그 변수를 이용해 모드 변경이 이루어진다.
💡 커널(kernel): 운영체제의 심장이자 이를 규정짓는 매우 중요한 소프트웨어. 하드웨어의 자원을 자원이 필요한 프로세스에 나눠주고, 덩달아 프로세스 제어(작업 관리), 메모리 제어, 프로그램이 운영 체제에 요구하는 시스템 콜 등을 수행하는 부분
💡 GUI가 없고 CUI(그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스)만 있는 리눅스 서버도 있다.
⭐ 컴퓨터의 요소
1. CPU(Central Processing Unit)
🔷 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행한다.
1)산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Login Unit)- 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
제어장치(CU, Control Unit)- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
레지스터- 연산 속도가 메모리보다 훨씬 빠른 임시기억장치
- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달
🌟 CPU의 연산 처리 순서는 다음과 같다.
1) 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드
2) 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령하면 그 장치는 레지스터에서 데이터를 가져와 연산하고 결과값을 다시 레지스터에 저장
3) 레지스터에 저장된 값을 제어장치가 다시 메모리로 이동
2. DMA 컨트롤러
🔷 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU에만 너무 많은
인터럽트요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담한다. - 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
💡
인터럽트
어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것, 하드웨어 인터럽트(I/O 디바이스에서 발생)와 소프트웨어 인터럽트(오류 등으로 프로세스가 시스템콜 호출 시 발동)로 나뉜다.
3. 메모리
🔷 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
RAM(Random Access Memory)라고도 한다.- CPU가 계산을 담당한다면, 메모리는 기억을 담당한다.
4. 타이머
🔷 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.
5. 디바이스 컨트롤러(device controller)
🔷 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
📌 메모리
⭐ 메모리 계층
1. 레지스터
🔷 CPU 안에 있는 작은 메모리
- 휘발성이며 속도가 가장 빠르지만 기억 용량이 가장 작다.
💡 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리
정보를 유지하기 위해서 지속적인 전력 공급이 필요한 메모리는 휘발성 메모리이며
주기억장치로 많이 사용된다. ex) RAM(DRAM, SRAM)
비휘발성 메모리는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하며 보조기억장치로 많이 사용된다.
ex) ROM, 플래시 메모리, 마그네틱 컴퓨터 기억 장치(하드디스크, 디스켓, 마그네틱 테이프 등), 광디스크
2. 캐시
🔷 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
- 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고, 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
- 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.
ex) 캐시와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치는 보조기억장치의 캐싱 계층이다.
🔷 메모리 계층에서의 캐시는 보통 L1, L2 캐시를 지칭한다.
-
L1 캐시
일반적으로 CPU 칩안에 내장되어 데이터 사용/참조에 가장 먼저 사용된다. L1 캐시는 보통 8~64KB 정도의 용량으로 CPU가 가장 빠르게 접근하게 되며, 여기서 데이터를 찾지 못하면, 이제 L2 캐시 메모리로 넘어간다. -
L2 캐시
용도와 역할은 L1 캐시와 비슷하지만 속도는 그보다 느리다. 일반적으로 64KB~4MB 정도가 사용된다. L2 캐시는 CPU 회로판에 별도의 칩으로 내장된다. 앞서 말한대로 L1 캐시를 먼저 뒤지고, L2 캐시를 뒤져 데이터를 찾는다. 역시 L2 캐시는 L1 캐시보다 느리지만, 일반 메모리(RAM)보다는 빠르다. -
L3 캐시
L3 캐시 메모리도 동일한 원리로 작동한다. 웬만한 프로세서에서는 L3 캐시 메모리를 달고있지 않다. L2 캐시로 충분히 커버할 수 있기 때문이다. L1/L2 캐시 메모리 정도만 CPU 성능에 직접적인 영향을 미치기에 L3 캐시는 크게 신경쓰지 않는것이 일반적인 추세다. L3 캐시는 CPU가 아닌 메인보드에 내장되는 경우가 더 많다.
3. 주기억장치
🔷 RAM을 가리킨다.
- 휘발성이며 속도와 기억 용량 모두 보통의 수준이다.
4. 보조기억장치
🔷 HDD, SSD를 일컫는다.
- 비휘발성이고 속도가 낮지만 기억 용량이 크다.
💡 계층 위로 올라갈 수록 용량은 작아지고 속도는 빨리지는 특징 외에도 더 비싸진다는 경제적인 특징이 있다. 같은 용량이어도 하위 계층의 메모리는 더 저렴하게 살 수 있다.
⭐ 캐시
🔷 캐시를 직접 설정할 때는 지역성에 근거하여 자주 사용하는 데이터를 이용한다.
💡
시간 지역성(temporal locality): 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
💡공간 지역성(spatial locality): 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성
🔷 캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 때 캐시히트, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다.
- 캐시히트는 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다.
- 반면 캐시미스가 발생하면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하여 느리다.
💡
내부버스: 기억, 연산, 제어 기능을 실현하기 위한 CPU와 주기억 장치, 입출력 장치, 외부 기억 장치, 주변 장치, 통신 처리 장치 등의 제어부 사이를 연결하는 버스
💡시스템 버스: 메인 메모리와 마이크로프로세서 사이 데이터를 전달하기 위해 사용되는, 커넥터와 케이블로 구성된 통로. 3가지 버스로 구성되어 있다. (어드레스 버스, 제어 버스, 데이터 버스)
🔷 캐시매핑
- 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.
- 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 어떻게 매핑하는지가 매우 중요하다.
| 이름 | 설명 |
|---|---|
| 직접 매핑 | 매핑 순서를 두고 캐시 하나 당 비슷한 양의 메모리를 매핑한다. 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦다. |
| 연관 매핑 | 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색하기 때문에 속도가 느리다. |
| 집합 연관 매핑 | 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐놓은 것, 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색이 효율적이다. |
💡 데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에
레디스(redis)데이터베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능을 향상시키기도 한다.
⭐ 메모리 관리
🌟 가상 메모리(virtual memory)
🔷 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것
- 가상적으로 주어진 주소를
가상 주소(logical address)라고 하며 실제 메모리 상에 있는 주소를실제 주소(physical address)라고 한다. - 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되기 때문에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요가 없다.
- 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는
페이지 테이블로 관리된다. - 이 때 속도 향상을 위해
TLB(메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시)를 쓴다.
🔷 스와핑
- 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것
- 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생하는데, 이 때 스와핑을 통해 마치 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만든다.
- 스와핑 과정
1) CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지(가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위)가 없으면 트랩을 발생시켜 운영체제에 알린다.
2) 운영체제가 CPU의 동작을 잠시 멈춘다.
3) 운영체제가 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임(실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위)이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없을 때 스와핑이 발동된다.
4) 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화한다.
5) 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.
💡
페이지 폴트(page fault)
프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 현재 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근할 때 발생
🔷 스레싱(thrashing)
- 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것, 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
- 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생한다.
- 이를 막기 위해 메모리를 늘리거나 운영체제에서
작업 세트및PFF를 이용한다.
💡
작업 세트
프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것
💡
PFF(Page Fault Frequency)
페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
면접을 위한 CS 전공지식 노트 (2022, 주홍철, 길벗출판사)
