[2주차] 컴퓨터 시스템의 구조

신은지·2021년 9월 18일

CS OS 반효경 OS

반효경 공룡 OS

목록 보기

2/8

운영체제 분류와 컴퓨터 시스템 구조

운영체제의 분류

지금 쓰는 운영체제는 다중 작업 & 다중 사용자 & 시분할 OS

동시 작업 가능 여부
(1) 단일 작업 (single tasking) : 한 번에 하나의 작업만 처리 - 초창기
(2) 다중 작업 (multi tasking) : 동시에 두 개 이상의 작업 처리 - 현재

사용자의 수
(1) 단일 사용자 (single user)
(2) 다중 사용자 (multi user)
: 한 대의 컴퓨터에 여러 사용자가 터미널 형태로 동시에 접속해서 사용하는 형태
: 보안 문제 등 해결 필요

처리 방식
(1) 일괄 처리 (batch processing) - 사용자 말고 내가 편한대로 하겠다! 지금 사용 X
      : 작업 요청의 일정량을 모아서 한꺼번에 처리
      : 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 한다

(2) 시분할 처리 (time sharing) - 현재 사용. 시간을 쪼개서 쓴다
      : 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정 시간 단위로 분할해서 사용.
      : 사용자를 번갈아가며 사용한다 = 마치 나 혼자 컴퓨터를 쓰는 것 같은 방식.
      : 일괄 처리에 비해 응답시간 짧다
      : interactive 방식

(3) 실시간 (realtime OS) : deadline이 있는 작업을 위한 OS. 자원의 효율적 관리와는 다른 개념
      : 정해진 시간 안에 반드시 종료되어야 하는 시스템을 위한 OS
      : 원자로/공장 제어, 미사일 등..
      : 개념 확장 - Hard (경성. 꼭 지켜야함) & Soft (연성. 동영상 프레임 처리같이 가벼운 경우)

컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 의미하는 용어들
(1) Multitasking : 컴퓨터 안에서 여러 개 프로그램을 동시에 돌리는 것
(2) Multiprogramming : 메모리를 강조. 메모리에 여러 프로그램이 올라가 있는 것
(3) Time sharing : CPU를 강조. CPU 시간을 분할해서 나누어 쓴다

Multiprocessor : 하나의 컴퓨터에 여러 CPU (processor)가 있음을 의미

운영체제의 예

유닉스 (UNIX)
: 초창기에 큰 서버를 위한 운영체제.
: 높은 이식성과 확장성 & 복잡한 구조 지원을 위해 대부분 C언어(어셈블리보다 개발 편리. 여러 아키텍처와 호환된다)로 작성됨
: 최소한의 커널 구조로 확장과 프로그램 개발에 용이
: Solaris, Linux, etc.

DOS
: 개인 사용자를 위한 OS
: 단일 작업, 단일 사용자를 위한 OS

MS Windows
: 다중 작업용 OS
: 풍부한 지원 소프트웨어

Handheld device를 위한 OS
: 안드로이드, IOS 등도 OS로 볼 수 있다. (SW 플랫폼 & OS)

컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 시스템이 어떻게 되는지, 그 위에서 프로그램들이 어떻게 돌아가는지

CPU
: 기계어를 연산한다
: register를 이용해 연산을 저장하고 처리
(1) PC (Program Counter) : 다음에 실행할 메모리의 주소를 가리키는 레지스터.
mode bit
: 사용자 프로그램에 의해 다른 프로그램과 OS에 피해 가지 않도록 제어하기 위한 보호장치
: CPU가 OS에 의해 실행되는지, 사용자 프로그램에 의해 실행되는지를 구분
      (1) 사용자 모드 : 사용자 프로그램 수행. 제한된 기계어만을 수행 가능. 1
      (2) 모니터 모드(=커널 모드, 시스템 모드) : OS 코드 수행. 뭐든 할 수 있다. 0
: mode bit = 0일 때만 특권 명령(보안을 해칠 수 있는 주요 명령어) 수행 가능
: Interrupt 또는 exception 발생 시 HW는 mode bitd을 0으로 바꾼다
      (1) Exception : 권한 없는 명령어를 실행하려는 경우 등 예외 상황 처리.
      (2) Interrupt : 매 순간 기계어를 읽고 실행할 때 Interrupt line을 체크해서 시그널을 통해 판단한다.
Timer
: 프로그램으로부터 CPU 독점을 막고 CPU 사용권을 넘겨받기 위해 존재하는 하드웨어
: 일정 시간 간격으로 인터럽트를 발생시켜 프로그램의 CPU 제어권을 OS로 넘겨준다
: time sharing을 구현하며, 현재 시간을 계산하기 위해서도 사용된다
Memory
: CPU가 기계어를 연산하기 위한 작업공간이 메모리
: OS는 언제나 메모리에 상주
: 프로그램이 실행되면 메모리에 올라가서 프로세스가 된다
: 메모리도 device니까 device controller 존재
I/O device controller
: I/O 장치를 전담하는 작은 CPU
: 제어 정보를 위해 control register, status register를 갖는다
: I/O가 끝났을 때 인터럽트로 CPU에게 알린다
: device controller에서 발생하는 코드를 펌웨어라고 부르며, 이미 안에서 코딩이 되어 있는 상태.
local buffer
: 각각의 controller의 작업 공간
시스템 콜
: 사용자 프로그램이 OS의 서비스를 받기 위해(=특권 명령을 수행하기 위해 =SW가 본인이 할 수 없는 일을 OS에게 부탁하기 위해) 커널 함수를 호출하는 것
: 인터럽트를 활용해 스스로 OS를 불러서 CPU를 넘겨준다

인터럽트 (Interrupt)

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동된다
운영체제에게 CPU가 넘어가려면 인터럽트가 걸려야한다!

인터럽트 당한 시점의 레지스터와 PC를 저장해서 CPU 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다
하드웨어 인터럽트 (Interrupt) : 일반적인 인터럽트. 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
소프트웨어 인터럽트 (Trap) : 개별 프로그램이 OS에게 CPU 넘길 때.
(1) Exception : 프로그램이 오류를 범한 경우
(2) System call : 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
관련 용어
(1) 인터럽트 벡터 : 인터럽트 종류별로 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소(실행해야 하는 위치)를 가진다
(2) 인터럽트 처리 루틴(=인터럽트 핸들러) : 인터럽트 벡터를 따라 갔을 때 해야 하는 일이 있는 것(=해당 인터럽트 처리 함수)

반대로 CPU를 빼앗기는 경우는?

타이머 인터럽트 : 나는 독점하고 싶은데 시간이 제한됨

I/O 작업 해야 할 때 : 내가 하고 싶어도, 어차피 I/O 작업 끝나야 가능할 때

동기식 입출력과 비동기식 입출력

둘 모두 I/O 완료는 인터럽트로 알려준다

동기식 입출력 (synchronous I/O)
: I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에게 넘어간다 (기다림)
: 구현방법
(1) : I/O 끝날 때까지 CPU를 낭비시켜, 매 시점 하나의 I/O만 일어날 수 있게 한다.
(2) : I/O 끝날 때까지 해당 프로그램에게서 CPU 빼앗고 I/O 처리 기다리도록 줄 세우고(기다리는 동안 CPU가 낭비되니까), 그동안 다른 프로그램에게 CPU 준다. I/O도 CPU도 놀지 않는 방법
비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
: I/O 시작된 후 입출력 작업이 끝나지 않더라도 제어가 사용자 프로그램에게 넘어간다 (안기다림)