운영체제와 컴퓨터
💡 운영체제 란?
운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
- 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 일꾼
펌웨어: 운영체제와 유사하지만, 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없음
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지
- 프로세스의 생성과 삭제
- 자원 할당 및 반환
- 메모리 관리
- 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당할지
- 디스크 파일 관리
- 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관활지
- I/O 디바이스 관리
- 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리
운영체제의 구조
❗️ 커널 : 운영체에의 중추적인 역할
- 사스템콜 인터페이스를 제공하는 운영체제의 핵심 부분
- 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리...
GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
- 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용 가능
CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
시스템 콜 : 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
👉 유저 프로그램이 커널 함수를 호출할 때 쓰임
👉 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근 차단, 프로그램 보호
- 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap) 발동
- 올바른 I/O 요청인지 확인
- 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환
modebit: 1 -> 0
- 커널 모드 로직 수행
- 유저 모드로 변경 후 이후 로직 수행
modebit: 0 -> 1
I/O 요청: 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
유저 모드: 유저가 접근 가능한 영역이 제한적인 모드
커널 모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
컴퓨터의 요소
💡 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있음
CPU
💡 CPU (Central Processing Unit) 란?
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
- 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성됨
🔗 제어장치 (CU, Control Unit)
- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
- 입출력장치 간 통신 제어
- 명령어들을 읽고 해석
- 데이터 처리를 위한 순서 결정
🔗 레지스터 (Register)
- CPU 내부의 매우 빠른 임시기억장치
- 메모리에 비해 연산 속도가 매우 빠름
🔗 산술논리연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)
- 산술, 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
⭐️ CPU 연산 처리 과정
- 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드
- 제어장치가 산술논리연산장치에 계산 명령
- 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장
인터럽트
💡인터럽트 (interrupt) 란?
어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수 실행
- 우선순위에 따라 실행
🔗 하드웨어 인터럽트
- I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트
👉 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일 수행
🔗 소프트웨어 인터럽트 (trap)
- 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템 콜을 호출할 때 발동하는 인터럽트
DMA 컨트롤러
💡 DMA 컨트롤러 (Direct Memory Access) 란?
I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
👉 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼 역할로, CPU의 부하를 막아줌
메모리
💡 메모리 (Memory) 란?
전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
👉 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 함
CPU : 일꾼
메모리 : 작업장 - 크면 클 수록 많은 일을 동시에 가능
타이머
💡 타이머 (timer) 란?
특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
👉 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위함
디바이스 컨트롤러
💡 디바이스 컨트롤러 (device controller) 란?
컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
👉 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼 : 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리
