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디지털 정보의 표현

컴퓨터 하드웨어의 구성

• 중앙처리장치 - CPU

• 주기억장치 - Memory (RAM/ROM)

• 보조기억장치 - Storage (HDD, SSD, optical discs, magnetic tapes, ...)

• 입출력장치 - I/O Devices (keyboard, mouse, display, printer, network, ...)

중앙처리장치 (CPU)

• 제어장치 - 명령어를 해석하여 그 실행에 필요한 제어 신호를 발생시킴

• ALU - 산술 및 논리 연산 등을 수행

• 레지스터 - 연산의 대상 및 연산 결과 등을 저장

명령어 집합 구조

• ISA

  • 마이크로프로세서가 인식해서 기능을 이해하고 실행할 수 있는 명령어

• 다음과 같은 것들을 정의

  • 중앙처리장치가 표현할 수 있는 자료형

  • 중앙처리장치에 명령할 수 있는 기계어 명령어들의 종류

  • 주소지정법

• 기계어 명령어는 사람이 알아보기 불편하므로 주로 어셈블리로 표현

• 같은 ISA를 가지는 컴퓨터에는 같은 프로그램을 실행할 수 있음

마이크로아키텍처

• 명령어 집합 구조를 물리적으로 구현된 것

• 같은 ISA를 서로 다른 microarchitecture로 구현하기도 함

CISC vs RISC

• CISC

  • 여러 동작을 한꺼번에 할 수 있는 여러 가지의 명령어들을 제공

  • 명령어들의 형식과 길이가 다양하고, 주소 지정 방식으로도 다양함

  • 주로 마이크로 프로그램 제어 방식의 프로세서로 구성

• RISC

  • 고정된 길이의 최소 종류의 명령어들을 제공

  • 주소 지정 방식 최소화, Load/Store 방식의 메모리 접근

  • 한 클록 사이클에 하나의 명령을 실행할 수 있도록 설계

명령어 파이프라인

• 모든 명령어들의 실행을 동일한 단게들로 나누고

• 한 클록 사이클에 한 단계씩 진행하도록 하여

• 동시에 여러 명령어들의 서로 다른 단계를 실행

• 파이프라인 단계

  • Instruction Fetch (IF)

  • Instruction Decode (ID)

  • Execute (EX)

  • Memory access (MEM)

  • Write Back (WB)

• 여러 명령어가 파이프라인의 각 단계에서 동시에 처리되어 처리 효율이 높아짐

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프로그램의 번역과 실행

프로그램 번역/실행의 모델 비교

• 컴파일러 방식의 장점

  • 번역을 실행 이전에 해 두므로 코드를 공들여 최적화할 수 있음

  • 따라서 코드 실행의 효율이 높음

• 인터프리터 방식의 장점

  • 다른 컴퓨터로 옮겨 실행하는 것이 편리함
  • 대화형 개발이 가능함

• 이 두 방식의 장점을 택한(어중간한) 방법들도 이용됨

가상기계를 이용한 실행 모델

• 원시코드(source code)를 컴파일러가 번역하여 실행코드(executable) 생성

• 실행코드는 컴퓨터 하드웨어에서 직접 실행

• 인터프리터 방식은 원시코드를 번역기가 한 줄씩 해석하며 바로 실행

• 가상기계(VM, Virtual Machine)를 이용하는 방식은

  • 컴파일러가 원시코드를 바이트코드(byte code)로 변환

  • 바이트코드는 하드웨어가 아니라 가상기계(VM)에서 실행

  • VM이 설치된 어떤 컴퓨터에서도 동일한 바이트코드를 실행할 수 있음

  • 네트워크를 통해 코드 공유도 일반적

• 예시

  • Java: 소스 코드를 컴파일러가 바이트코드(.class)로 변환

  • 각 플랫폼의 Java Virtual Machine(JVM)에서 바이트코드를 실행

  • Windows, Linux, Intel, AMD 등 다양한 환경에서 동일한 바이트코드 실행 가능

컴파일러와 링커/로더

• 원시코드(source code)는 컴파일러에 의해 어셈블리 코드(assembly code)로 변환

• 어셈블러(assembler)가 어셈블리 코드를 목적코드(object code)로 변환

• 여러 목적코드와 라이브러리(libraries)를 링커(linker)가 결합하여 적재 가능한 모듈(loadable module) 생성

• 로더(loader)가 이 모듈을 메모리에 적재해 실행

링커(Linker)와 로더(Loader)

• 여러 개의 목적 코드(obj1, obj2 등)와 라이브러리(lib1, lib2 등)를 하나의 실행 파일로 결합하는 과정에 링커가 사용됨

  • 보통 컴파일러와 함께 실행됨

  • 여러 덩어리의 목적 코드를 연결

  • 서로 다른 모듈 사이의 주소 상호 참조를 해결

• 링커가 완성한 실행 파일(executable)은 로더에 의해 메모리에 적재되어 실행

  • 로더는 운영체제의 일부로서 프로그램 실행을 담당
  • 프로그램 파일을 저장장치로부터 메모리에 적재
  • 일반적으로 동적 적재 문제도 함께 해결

라이브러리(Libraries)

• 많은 프로그램들이 공통적으로 이용하는 기능을 담당하는 소프트웨어를 모듈화하여 준비해 둔 것

  • 콘솔 및 파일 입출력

  • GUI

  • 수학 연산

  • 인터넷 접근

  • 데이터 분석

• 라이브러리의 종류

  • 정적 라이브러리(Static Library): 각 프로그램에 라이브러리 코드가 포함되어 독립적으로 존재
  • 공유 라이브러리(Shared Library): 여러 프로그램이 동일한 라이브러리 코드를 공유하여 사용

• 정적 라이브러리는 각각의 프로그램에 라이브러리 코드가 복사되어 포함됨

• 공유 라이브러리는 여러 프로그램이 하나의 라이브러리 코드를 참조하여 메모리 사용 효율이 높아짐

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운영체제의 역할과 구조

소프트웨어의 분류

• 시스템 소프트웨어
  • 컴퓨터 시스템을 운용하거나 소프트웨어 개발을 지원하는 데 이용되는 소프트웨어의 모음
  • 운영체제(operating system), 컴파일러(compiler), 링커/로더(linker/loader), 시스템 운용 도구 등
• 응용 소프트웨어
  • 컴퓨터 시스템이 응용될 분야에 따른 기능을 수행하도록 만들어진 소프트웨어
  • 워드 프로세서(word processor), 스프레드시트(spreadsheet), 웹 브라우저(web browser), 게임(game) 등

운영체제(Operating System)의 정의와 역할

• 컴퓨터 시스템이 살아가기 위해 반드시 필요한 소프트웨어(의 모음)
• 운영체제의 역할
  • 컴퓨터 시스템의 자원을 관리
    • 프로세서 시간, 메모리 공간, 입출력 장치, 파일 등
  • 사용자에게 시스템 자원을 활용할 수 있는 기능 제공
    • 단일 사용자 시스템: 다소 간단
    • 다중 사용자 시스템: 다소 복잡

운영체제의 분류

• 운용 대상 시스템의 종류
  • 범용(general purpose) / 내장형(embedded)
• 여러 사용자에 대한 서비스 제공 여부
  • 단일 사용자(single-user) / 다중 사용자(multi-user)
• 중앙처리장치 구성
  • 단일 프로세서(uniprocessor) / 다중 프로세서(multiprocessor)
• 작업 처리 방식
  • 시분할 방식(batch processing) / 다중 프로그래밍(multiprogramming)

운영체제의 역할

• 컴퓨터 시스템의 자원 관리
  • 프로세스 관리
  • 메모리 관리
  • 파일 시스템 관리
  • 입출력 장치 관리
• 사용자에게 시스템 활용 도구 제공
  • 텍스트 에디터
  • 시스템 관리 도구
  • 소프트웨어 개발 도구(환경)
  • 웹 브라우저 등

운영체제 커널(kernel)

• 운영체제의 핵심(core) 부분에 위치
  • 시스템의 모든 측면에 대한 완전한 권한을 가짐
  • 사용자(및 프로세스) 간 충돌 또는 침해로부터의 보호와 함께 효율적이면서 공정한 자원 공유(배분) 담당
• 시스템 자원에 대한 완전한 제어권을 구사하기 위해 하드웨어의 지원이 필요
  • 대표적으로 User mode와 Kernel mode, 예외 레벨(exception levels) 구분
• 커널 외의 부분(“사용자”라고 부름)을 이루는 코드는 시스템 자원 접근을 위해 커널의 서비스를 이용
  • 대표적으로 시스템 콜(system call)을 통해 커널의 기능을 사용
• 커널은 하드웨어(CPU, 메모리, 각종 장치)와 응용 프로그램 사이에서 인터페이스 역할
  • 응용 프로그램이 직접 하드웨어에 접근하지 못하도록 보호하고, 자원 관리와 보안을 담당

시스템 콜(System Calls)

• 운영체제 커널이 제공하는 서비스에 대한 응용 프로그램의 요청을 가능하게 하는 프로그래밍 인터페이스
• 응용 프로그램은 보통 고급 API(라이브러리) 함수들을 통해 시스템 호출에 접근
• 시스템 콜의 호출은 프로세서의 실행 문맥(context)을 특권 모드(privileged mode, kernel mode)로 전환시킴
  • 일반적으로 유저 모드(user mode)에서 실행되던 프로그램이 시스템 콜을 호출하면 커널 모드로 전환
  • 커널 모드에서 시스템 콜을 실행한 뒤, 다시 유저 모드로 복귀
• 시스템 콜을 통해 파일 입출력, 프로세스 관리, 메모리 관리, 네트워크 등 다양한 커널 기능을 안전하게 사용할 수 있음
• 시스템 콜은 운영체제의 안정성과 보안을 위해 반드시 커널 모드에서만 실행되도록 설계됨

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프로세스 관리와 스케줄링

프로세스 (Process)

• 프로세스란?
  • 컴퓨터 시스템에서 CPU 및 메모리를 이용하여 실행 중인 작업
• 컴퓨터 시스템에서 실행되는 거의 모든 소프트웨어는 하나 이상의 프로세스를 이룸
• 프로세스는 생명 주기(life cycle)를 가지며, 이는 운영체제가 관리
• 프로그램 ≠ 프로세스
  • 프로그램: 실행이 준비된 소프트웨어의 덩어리
  • 프로세스: 지금 실행하고 있는 소프트웨어의 생명체

프로세스 관리 (Process Management)

• 운영체제는 각 프로세스의 상태를 유지·관리
• 각 프로세스가 시스템 자원을 사용할 수 있도록 관리
• 아무도 시스템 자원을 관리하지 않으면 보호의 측면도 생각해야 함
• 실제로는 Windows 작업 관리자, Linux의 top 명령어 등으로 현재 실행 중인 프로세스와 자원 사용 현황을 확인할 수 있음

프로세스의 상태 (Process State)

• 프로세스는 실행되는 동안 여러 상태를 거침
• 주요 상태
  • Start: 프로세스가 처음 생성된 상태
  • Ready: 실행 준비가 된 상태, CPU 할당을 기다림
  • Running: CPU를 할당받아 실제로 명령을 실행 중인 상태
  • Waiting / Blocked: 입출력 등 자원을 기다리며 대기하는 상태
  • Terminated: 실행이 완료되어 종료된 상태
• 상태 전이
  • Start → Ready: 프로세스가 메모리에 올라옴
  • Ready → Running: CPU가 할당됨(dispatch)
  • Running → Waiting/Blocked: 입출력 등 자원을 기다릴 때
  • Waiting/Blocked → Ready: 자원이 준비되면
  • Running → Ready: 인터럽트 등으로 CPU를 빼앗길 때
  • Running → Terminated: 실행 종료(exit)
• 각 상태와 전이는 운영체제가 스케줄링 및 자원 관리를 통해 제어함

프로세스와 스레드 (Processes & Threads)

• 프로세스
  • 실행 중인 프로그램의 인스턴스
  • 코드, 데이터, 파일, 레지스터, 스택 등으로 구성
• 스레드
  • 프로세스 내에서 실행 흐름을 담당하는 최소 단위
  • single-threaded process: 하나의 스레드만 존재
  • multithreaded process: 여러 스레드가 같은 코드, 데이터, 파일을 공유하지만, 각자 레지스터와 스택을 가짐
  • 멀티스레드 환경에서는 여러 작업을 동시에 처리할 수 있음

동시성 (Concurrency)

• 여러 스레드가 번갈아가며 실행되는 구조
• 하나의 CPU에서 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이게 함
• 문맥 전환(context switch)이 발생하며, 각 스레드의 실행 구간이 교차
• 동시성을 가지는 작업을 처리할 때는 동기화(synchronization)가 필요
  • 동기화는 여러 스레드가 공유 자원에 동시에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 매우 중요한 운영체제 임무 중 하나

스케줄링 (Scheduling)

• 스케줄링 문제: 어느 순간에 어떤 작업을 수행할지 결정하는 문제
• 효율성(efficiency)과 공정성(fairness) 사이의 이해득실 관계
  • 응답 시간(response time)을 최소화
    • 각 작업이 도착했을 때부터 완료될 때까지의 시간이 중요
  • 시스템 처리율(throughput, 단위 시간당 처리 작업량)을 극대화
    • 문맥 전환의 오버헤드를 고려하면 응답 시간과 같은 기준이 아님
  • 공정성을 해치지 말 것
    • 낮은 우선순위 작업이 영원히 기다려야 하는 starvation 현상 방지

스케줄링 알고리즘의 예: FCFS (First-Come, First-Served Scheduling)

• 먼저 도착한 작업부터 차례로 처리
• 예시
  • 작업 P₁, P₂, P₃가 도착
  • 소요시간: P₁=24, P₂=3, P₃=3
  • 대기 시간(waiting time): P₁=0, P₂=24, P₃=27
  • 평균 대기 시간(average waiting time): (0+24+27)/3 = 17
  • 평균 응답 시간(average response time): (24+27+30)/3 = 27
• FCFS는 단순하지만, 긴 작업이 먼저 오면 전체 대기 시간이 늘어나는 단점이 있음

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메모리와 입출력 관리

컴퓨팅 시스템 자원의 추상화

• 프로세스: CPU 시간에 대한 추상화
  • 각 프로세스(실행 중인 프로그램)는 자신에게 CPU 시간이 전체 중 일부가 주어지는 것으로 가상할 수 있음
• 가상메모리: 메모리 공간에 대한 추상화
  • 각 프로세스는 전체 주소 공간을 모두 자신에게 할당된 메모리로 사용할 수 있는 것으로 가상할 수 있음
• 파일시스템: 입출력 장치들을 일관된 인터페이스로 추상화
  • 각 프로세스는 실제 입출력 장치의 동작 방식과는 무관하게 파일을 조작하는 것과 동일한 일관된 방법을 통해 서로 다른 장치의 입출력을 이용할 수 있음

가상메모리(Virtual Memory)와 운영체제의 역할

• 프로세스에게 메모리를 할당해주고, 프로세스가 반환하는 메모리를 “이용 가능한 것”으로 관리
• 서로 다른 프로세스가 남의 메모리를 침범하지 못하도록 보호
• 이러한 일들은 모두 운영체제의 몫
• MMU(Memory Management Unit)는 가상 주소와 실제 물리 주소의 매핑을 담당
• 각 프로세스는 자신만의 가상 주소 공간을 가지며, 실제 물리 메모리는 MMU를 통해 필요한 부분만 매핑됨

페이징에 의한 가상메모리 주소 변환

• 가상 주소는 페이지 디렉터리(Page Directory)와 페이지 테이블(Page Table)을 거쳐 물리 메모리의 프레임(Frame)으로 변환됨
• 32비트 주소 예시
  • 상위 비트: 페이지 디렉터리 인덱스
  • 중간 비트: 페이지 테이블 인덱스
  • 하위 비트: 페이지 내 오프셋
• PDE(Page Directory Entry), PTE(Page Table Entry), BR(Base Register) 등으로 계층적 변환이 이루어짐
• 실제 물리 메모리의 각 페이지는 4KB 단위로 관리됨

요구 페이징(Demand Paging)과 지역성(Locality)

• 페이지 폴트(page fault)를 줄이는 것이 전체 시스템 성능 향상에 매우 중요
  • 지역성(locality)에 근거하여 메모리 페이지들을 저장장치로부터 읽어들여 메모리에 적재
  • 캐시 메모리(cache memory) 관리와 유사한 방식
  • 교체 기법으로 LRU(Least Recently Used) 및 근사화 알고리즘을 적용
• 참조의 지역성(locality of references)
  • 시간적 지역성(temporal locality): 지금 참조된 주소는 가까운 미래에 또다시 참조될 가능성이 매우 높음
  • 공간적 지역성(spatial locality): 지금 참조된 주소와 가까운 주소가 미래에 참조될 가능성이 매우 높음

파일시스템 (Filesystem)과 장치 관리

• 저장장치(storage)의 특성
  • 저장장치는 단순 입출력 기능 외에도 메모리 서브시스템(가상메모리)의 일부로 동작할 수 있음
  • 입출력장치와는 구분되는 특성을 가짐
• 운영체제의 파일시스템 추상화
  • 운영체제는 저장장치를 파일시스템 형태로 추상화해 관리
  • 디스크 드라이브 등 저장장치는 입출력 장치 관리 방식에 따라 운영체제의 일부(파일시스템)로 통합
  • 사용자는 파일이라는 형태로 데이터 집합을 쉽게 다룰 수 있음
• UNIX 계열의 파일시스템 특징
  • 다양한 종류의 장치를 파일로 간주하는 추상화 방식을 사용
  • 일관된 방법으로 여러 장치에 접근 가능
  • 장치 관리자는 커널의 문맥에서 실행되며 각 장치의 입출력 및 제어를 담당

입출력 장치 관리 구조

• 사용자 프로세스는 시스템 콜(system call)을 통해 운영체제 커널에 입출력 요청
• 커널은 각 장치별 장치 관리자(device driver)에게 요청을 전달
• 장치 관리자는 실제 하드웨어와 직접 통신하며 입출력 동작을 수행
• 하드디스크, USB, 사운드, 마이크 등 다양한 장치가 각각의 장치 관리자를 통해 제어됨

장치 관리자(Device Driver)

• 장치 관리자는 하드웨어 제조사에서 제공하는 경우도 많지만, 운영체제의 일부로 포함되기도 함
• 윈도우, 리눅스 등 운영체제의 장치 관리자 메뉴에서 다양한 하드웨어 장치를 관리할 수 있음
  • 예: 네트워크 어댑터, 디스크 드라이브, 모니터, 키보드, 프린터, 사운드, 블루투스 등
• 장치 관리자는 각 하드웨어의 입출력, 제어, 상태 관리 등 핵심 기능을 담당
• 사용자나 응용 프로그램은 장치 관리자 덕분에 하드웨어의 세부 동작을 몰라도 일관된 방법으로 장치에 접근할 수 있음