CS에 대한 기초를 쌓고싶은데 그중에서도 운영체제에 대해 알고싶어서 공부하며 적는 시리즈.
반효경 교수님의 운영체제라는 수업을 듣고 요약한 내용.
운영체제(Operating System, OS)란?
컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
하드웨어를 동작시키기 위해 필요한 기본적인 소프트웨어
- 협의의 운영체제(커널)
- 운영체제의 핵심 부분으로 (부팅 이후에 계속) 메모리에 상주하는 부분
- 광의의 운영체제
- 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념
- 예를들어 윈도우즈를 설치하면 여러 소프트웨어도 함께 설치됨. 그런 유틸리티를 포함해 넓은 의미의 운영체제라고 함.
운영체제의 목적
- 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
- 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리 -> 하드웨어 자원
- 사용자간의 형평성 있는 자원 분배
- 주워진 자원으로 최대한 성능을 내도록
- 사용자 및 운영체제 자신의 보호
- 프로세스, 파일, 메시지 등을 관리 -> 소프트웨어 자원
- 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리 -> 하드웨어 자원
- 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공
- 운영체제는 동시 사용자/프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공
- 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행
운영 체제의 분류
동시 작업 가능 여부
- 단일 작업(single tasking)
- 한 번에 하나의 작업만 처리
- 예) MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음
- 한 번에 하나의 작업만 처리
- 다중 작업(multi tasking)
- 동시에 두 개 이상의 작업 처리
- 예) UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음
- 동시에 두 개 이상의 작업 처리
사용자의 수
- 단일 사용자(single user)
- 예) MS-DOS, MS Windows
- 다중 사용자(multi user)
- 예) UNIX, NT server
처리 방식
일괄 처리(batch processing)
- 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
- 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함. 예) 초기 Punch Card 처리 시스템
- 현재 운영체제에선 찾아보기 어려움
시분할(time sharing)
- 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
- 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐. 예) UNIX
- interactive한 방식 -> 사람이 느끼지 못할 정도로 짧은 시간이기 때문에
실시간(Realtime OS)
- 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
- 특수한 목적을 가진 시스템에서 주로 사용됨
- 예) 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로봇 제어
- 실시간 시스템의 개념 확장
- Hard realtime system(경성 실시간 시스템)
- Soft realtime system(연성 실시간 시스템)
몇 가지 용어
- Multi Tasking : 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻함
- Multi Programming : 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있음을 강조
- Time Sharing : CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
- Multi Processor : 하나의 컴퓨터에 CPU(processor)가 여러 개 붙어 있음을 의미
운영체제의 예
유닉스(UNIX)
- 코드의 대부분을 C언어로 작성
- 높은 이식성
- 최소한의 커널 구조
- 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
- 소스코드 공개
- 프로그램 개발에 용이
- 다양한 버전 - System V, FreeBSD, SunOS, Solaris, Linux
DOS(Disk Operating System)
- MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
- 단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계(주 기억 장치 : 640KB)
MS Windows
- MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영체제
- Plug and Play, 네트워크 환경 강화
- DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
- 불안정성
- 풍부한 지원 소프트웨어
운영체제의 자원 관리 기능
CPU
CPU가 하나뿐인 기본적인 컴퓨터 구조에서도 프로셋는 여러개가 동시에 수행될 수 있으므로 매 시점 어떠한 프로세스에 CPU를 할당해 작업을 처리할 것인지 결정하는 일이 필요하다. 이를 CPU 스케줄링(CPU scheduling)이라고 함.
선입 선출 기법
먼저 온 것을 먼저 처리해주는 방식.
CPU 자체의 효율성에는 문제 없지만 전체 시스템 입장에서는 비효율적. 짧은 수행시간을 가진 프로세스도 선행 프로세스가 마칠때까지 장시간 기다려야 하기 때문.
라운드 로빈 기법
CPU를 한 번 할당받아 사용할 수 있는 시간을 일정하게 고정된 시간으로 제한. 정해진 시간이 지나면 CPU를 내어놓고 CPU 대기열의 제일 뒤에 가서 줄을 서야 함
우선순위 스케줄링
CPU 사용을 위해 대기 중인 프로세스들에 우선순위를 부여하고 우선순위가 높은 프로세스에 CPU를 먼저 할당.
높은 우선순위가 먼저 실행됨. 기다린 시간이 늘어날수록 우선순위를 높여주는 방법도 사용할 수 있음.
메모리
메모리는 CPU가 직접 접근할 수 있는 컴퓨터 내부의 기억장치. 프로그램이 CPU에서 실행되려면 해당 부분이 메모리에 올라가있어야 함.
메모리 관리를 위해 운영체제는 메모리의 어느 부분이 어떤 프로그램에 의해 사용되고 있는지를 주소(address)를 통해 파악하고 관리함.
고정분할 방식
- 물리적 메모리를 몇 개의 분할로 미리 나누어 관리.
- 나뉜 각각의 분할에는 하나의 프로그램이 적재될 수 있으나 융통성이 없다는 단점. 메모리에 동시 적재되는 최대 프로그램의 수가 분할 개수로 한정되기 때문.
- 분할의 크기보다 큰 프로그램은 적재가 불가능하므로 효율성이 떨어짐.
- 분할이 고정적이기 때문에 분할의 크기보다 작은 프로그램이 적재되는 경우 해당 분할 내에 남는 영역이 발생되는데 이를 내부조각이라고 함.(다른 부분에 할당할 수 없으므로 비효율적으로 낭비되는 공간)
가변분할 방식
- 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할해 사용하는 방식
- 물리적 메모리의 크기보다 큰 프로그램의 실행은 여전히 불가능
- 분할의 크기와 개수가 동적으로 변하므로 기술적 관리 기법이 필요
- 프로그램에 할당되지는 않았지만 크기가 작아 프로그램을 올리지 못하는 메모리 영역인 외부 조각 발생
가상메모리 기법
- 모든 프로그램은 물리적 메모리와 독립적으로 0번지부터 시작하는 자신만의 가상메모리 주소를 가짐
- 물리적 메모리보다 더 큰 프로그램이 실행되는 것을 지원함
- 가상 메모리의 주소를 물리적 메모리 주소로 매핑하는 기술을 이용해 주소를 변환시킨 후 프로그램을 물리적 메모리에 올리게 됨
- 전체 크기가 크더라도 전체 크기가 항상 동시에 사용되는 것은 아니므로 현재 사용되는 부분만 메모리에 올리고 나머지는 스왑 영역(swap area)에 저장해두었다가 필요할때 적재하는 방식
- 가상메모리 주소 공간은 페이지(page)라는 동일한 크기의 작은 단위로 나뉘어 물리적 메모리와 스왑 영역에 일부분씩 저장됨
- 페이징? 동일한 단위로 메모리를 나누는 기법
I/O Device
인터럽트(interrupt)
- 주변장치들은 CPU의 서비스가 필요한 경우 신호를 발생시켜 서비스를 요청하는데 이를 인터럽트라 함
- CPU는 평소에 CPU 스케줄링에 따라 자기에게 주어진 작업을 수행하다가 인터럽트가 발생하면 하던 일을 멈추고 인터럽트에 의한 요청 서비스를 수행함
- 운영체제는 인터럽트를 처리한 후 원래 수행하던 작업으로 돌아오기 위해 인터럽트 처리 직전에 수행 중이던 작업의 상태를 저장해둠
* 인터럽트 처리 루틴?
- 인터럽트가 발생했을 때 해주어야 할 작업을 정의한 프로그램 코드로 운영체제 커널 내에 존재
컨트롤러
- 주변장치들은 각 장치마다 일어나는 업무를 관리하기 위한 일종의 작은 CPU를 가지고 있는데 이를 컨트롤러라 함
- 해당 장치에 대한 업무를 처리하고, 이를 메인 CPU에 인터럽트를 발생시켜 보고하는 역할
Reference
