운영체제의 역할
👉 User Interface(편리성)
- CUI (Character User Interface)
- GUI (Graphical User Interface)
- EUCI (End-User Comfortable Interface)
👉 Resource management (효율성) (HW/SW 리소스 관리)
- HW resource (processor, memory, I/O devices, Etc.)
- SW resource (file, application, message, signal, Etc.)
👉 Process(실행 주체) and Thread management
👉 System management (시스템 보호)
운영체제의 구분
👉 동시 사용자 수
- Single-User System
- Multi-User System
단일 사용자 (Single-user System)
- 단 한명의 사용자만 시스템 사용 가능
- 한 명의 사용자가 모든 시스템 자원 독점
- 자원관리 및 시스템 보호 방식이 간단함
- 개인용 장비(PC, mobile)등에 사용
- Windows, android, MS_DOS 등
다중 사용자 (Multi-user System)
- 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용
- 각종 시스템 자원(파일 등)들에 대한 소유 권한 관리 필요
- 기본적으로 Multi-tasking 기능 필요
- OS의 기능 및 구조가 복잡
- 서버 클러스터(cluster) 장비 등에 사용
- Unix, Linux, Windows server 등
👉 동시 실행 프로세스 수
- Single-tasking system
- Multi-tasking system (Multiprogramming system)
단일작업 (Single-tasking system)
- 시스템 내에 하나의 작업(프로세스)만 존재
- 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른 프로그램의 실행 - 운영체제의 구조가 간단
- 예) MS-DOS
다중 작업 (Multi-tasking System)
- 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능
- 작업들 사이의 동시 수행, 동기화 등을 관리해야 함 - 운영체제의 기능 및 구조가 복잡
- 예) Unix/Linux, Windows 등
👉 작업 수행 방식 (사용자가 느끼는 사용 환경)
- Batch processing system
- Time-sharing system
- Distributed processing system
- Real-time system
순차 처리 (운영체제 개념이 존재하지 않던 시기)
- 컴퓨터에 필요한 모든 작업을 프로그램에 포함
- (프로세서에는 명령어 저장 방법, 계싼 대상, 결과 저장 위치와 방법, 출력 시점, 위치 등이 모두 담겨있다.) - 각각의 작업에 대한 준비 시간이 소요
Batch Systems (일괄처리 시스템)
- 시스템 지향적 (System-oriented)
- 모든 시스템을 중앙(전자계산소 등)에서 관리 및 운영
- 사용자의 요청 작업을 일정 시간 모아두었다가 한번에 처리
장점:
- 많은 사용자가 시스템 자원 공유
- 처리 효율(throughput) 향상
단점:
- 생산정 저하 (같은 유형의 작업들이 모이기를 기다려야 함
- 긴 응답시간
Time Sharing Systems (시분할 시스템)
- 사용자 지향적 (User-oriented)
- 대화형 시스템
- 단말기 사용 - 여러 사용자가 자원을 동시에 사용
- OS가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리
장점:
- 응답시간(response time) 단축
- 생산성 향상
- 프로세서 유휴 시간 감소
단점:
- 통신 비용 증가 (단말기를 통해 접속하기 때문에)
- 통신선 비용, 보안 문제 등 - 개인 사용자 체감 속도 저하
- (동시 사용자 수 ↑ ➡ 시스템 부하 ↑ ➡ 느려짐 (개인 관점)
Personal Computing
- 개인이 시스템 전체 독점
- CPU 활용률(utilization)이 고려의 대상이 아님
- 얼마나 효율적이냐 보다, 얼마나 편리하냐에 초점 - OS가 상대적으로 단순함
장점:
- 빠른 응답 시간
단점:
- 성능이 낮음 (효율적이지 않기 때문)
Parallel Processing System (병렬처리 시스템)
- 단일 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서 사용
- 동시에 둘 이상의 프로세스 지원 - 메모리 등의 자원 공유 (Tightly-coupled system)
- 사용 목적
- 성능 향상
- 신뢰성 향상 (하나의 CPU가 고장나도 CPU가 넘겨받아 전체 시스템은 문제 없다.)
- 프로세서간 관계 및 역할 관리 필요
Distributed Processing Systems (분산처리 시스템)
- 네트워크를 기반으로 구축된 병렬처리 시스템
(Loosely-coupled system)
장점:
- 자원 공유를 통한 높은 성능
- 고신뢰성, 높은 확장성
단점:
- 구축 및 관리가 어려움
Real-time Systems
- 작업 처리에 제한 시간(deadline)을 갖는 시스템
- 제한 시간 내에 서비스를 제공하는 것이 자원 활용 효율보다 중요
- 작업(task) 종류
Hard real-time task
- 시간 제약을 지키지 못하는 경우 시스템에 치명적 영향
- 예) 발전소 제어, 무기 제어 등
Soft real-time task
- 동영상 재생 등
Non real-time task
운영체제의 구조
👉 커널 (Kernel)
- OS의 핵심 부분 (메모리 상주)
- 가장 빈번하게 사용되는 기능들 담당: 시스템 관리(processor, memory, Etc) 등
- 동의어
- 핵(neucleus), 관리자(supervisor) 프로그램, 상주 프로그램 (resident program), 제어 프로그램 (control program) 등
👉 유틸리티 (Utility)
- 비상주 프로그램
- 커널을 제외한 나머지 (가끔 사용) 필요한 순간 메모리에 올려 사용 - UI 등 서비스 프로그램
👉 단일 구조
커널에 모듈을 한 번에 모아둔 것
장점:
- 커널 내 모듈간 직접 통신 (효율적 자원 관리 및 사용)
단점:
- 커널의 거대화 ( 한 번에 모두 담기 때문에, 추가될 수록 거대화 된다.)
- 오류 및 버그, 추가 기능 구현 등 유지보수가 어려움- 동일 메모리에 모든 기능이 있어 한 모듈의 문제가 전체 시스템에 영향 (예, 악성 코드 등)
👉 계층 구조
단일구조의 단점보완을 위함. 현재 대부분 사용
장점:
- 모듈화 (계층간 검증 및 수정 용이)
- 설계 및 구현의 단순화
단점:
- 단일구조 대비 성능 저하
(원하는 기능 수행을 위해 여러 계층을 거쳐야 한다.)
👉 마이크로 커널 구조
- 커널의 크기 최소화
- 필수 기능만 포함
- 기타 기능은 사용자 영역에서 수행
운영체제의 기능
👉 Process Management
프로세스 (Process)
- 커널에 등록된 실행 단위 (실행 중인 프로그램)
- 사용자 요청/프로그램의 수행 주체(entity)
OS의 프로세스 관리 기능
- 생성/삭제, 상태관리
- 자원 할당
- 프로세스 간 통신 및 동기화(synchronization)
- 교창상태(deadlock) 해결
(여러개의 프로세스에 대해 중재)
프로세스 정보 관리
- PCB(Process Control Block)
👉 Processor Management
중앙 처리 장치(CPU)
- 프로그램을 실행하는 핵심 자원
프로세스 스케줄링(Scheduling)
- 시스템 내의 프로세스 처리 순서 결정
프로세서 할당 관리
- 프로세스들에 대한 프로세서 할당
(한 번에 하나의 프로세스만 사용 가능)
👉 Memory Management
주기억장치 (ex) DRAM)
- 작업을 위한 프로그램 및 데이터를 올려놓는 공간
Multi-user, Multi-tasking 시스템
- 프로세스에 대한 메모리 할당 및 회수
- 메모리 여유공간 관리
- 각 프로세스의 할당 메모리 영역 접근 보호
메모리 할당 방법(scheme)
- 전체 적재
장점:
- 구현이 간단.
단점:
- 제한적 공간.
- 일부 적재(virtual memory concept)
(프로그램 및 데이터의 일부만 적재)
장점:
- 메모리의 효율적 활용
단점:
- 보조기억 장치 접근 필요
👉 File Management
(파일: 논리적 데이터 저장 단위)
사용자 및 시스템의 파일 관리
디렉토리(directory) 구조 지원
파일 관리 기능
👉 I/O Management
입출력(I/O) 과정
- OS를 반드시 거쳐야 한다.
기억보다 기록