1. 운영체제

1-1. 컴퓨터 시스템의 구성

• 하드웨어
  • CPU, 메모리, 저장장치, 입출력장치, 네트워크 장치 등
• 소프트웨어
  • 응용 소프트웨어 : 사용자가 직접 다루는 소프트웨어
    • 예: 브라우저, PDF 뷰어, 파워포인트 등
  • 시스템 소프트웨어 : 응용 소프트웨어와 하드웨어 사이의 매개체 역할
    • 주로 하드웨어 관리의 역할
    • 예: 컴파일러, 운영체제 등
  • 운영체제
    • 대표적인 시스템 소프트웨어
    • 컴퓨터 시스템의 자원을 관리하고 컴퓨터 프로그램이 동작하기 위한 서비스를 제공하는 프로그램들의 모음

1-2. 컴퓨터 시스템과 운영체제

운영체제가 없던 초기의 컴퓨터 시스템

• 응용 프로그램이 직접 컴퓨터 시스템의 자원 제어
  • 응용 프로그램 개발자는 하드웨어 제어방법을 잘 알아야 함
• 여러 사용자가 하드웨어를 공유하는 경우 자원 분할 어려움

운영체제가 있는 컴퓨터 시스템

• 하드웨어와 응용 프로그램 사이에 운영체제 위치
• 운영체제가 컴퓨터 시스템의 자원 제어
• 컴퓨터 시스템이 안정적이고 효율적으로 동작하도록 함

1-3. 운영체제의 역할

• 컴퓨터 시스템의 자원 관리
  • 자원: 하드웨어 자원, 소프트웨어 자원, 데이터
  • 컴퓨터 시스템을 효율적으로 운영하는 목적
• 사용자 지원
  • 사용자가 내린 명령을 해석하여 실행하게 함
  • 사용자와 하드웨어 사이의 매개체 역할
  • 사용자에게 편의성을 제공하는 목적

1-4. 커널 (kernel)

• 커널 모드에서 동작하는 운영체제의 핵심 요소
• 응용 프로그램과 하드웨어 수준의 처리 사이의 가교 역할
• 구성방식: 일체형 커널, 마이크로커널

일체형 커널 (monolithic kernel)

• 운영체제의 모든 서비스가 커널 내에 포함됨 (커널 = OS(운영체제))
• 장점
  • 커널 내부 요소들이 서로 효율적으로 상호작용을 함
• 단점
  • 한 요소라도 오류가 발생하면 시스템 전체에 장애 발생 가능
• 예: UNIX, Linux

마이크로커널 (microkernel)

• 운영체제 요소의 대부분을 커널 외부로 분리
• 메모리 관리, 멀티태스킹, 프로세스 간 통신(IPC) 등 최소한의 요소만 커널 내에 남김
  • 커널은 커널 모드에서 동작하고, 다른 운영체제 요소는 사용자 모드에서 동작함
• 장점
  • 새로운 서비스를 추가하여 운영체제를 확장하기 쉬움
  • 유지보수가 용이하여 안정성이 우수함
• 단점
  • 커널 외부 요소들 사이는 IPC가 필요하여 성능저하 발생

1-5. 커널 모드와 사용자 모드

커널 모드 (슈퍼바이저 모드)

커널 모드 = 운영체제가 동작하는 모드

• 하드웨어를 직접 제어할 수 있는 CPU 명령어를 사용할 수 있는 모드
• 운영체제의 커널이 동작함

사용자 모드 (보호 모드)

사용자 모드 = 응용 프로그램이 동작하는 모드

• 하드웨어를 직접 제어할 수 있는 CPU 명령어를 사용할 수 없는 모드
• 응용 프로그램이 동작함

시스템 호출

응용 프로그램은 사용자 모드에서 동작하기에, 하드웨어에 대한 제어가 필요한 경우 시스템 호출을 통해 필요한 서비스를 운영체제에 요청해야 함

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2. 운영체제의 구성

컴퓨터 시스템의 자원의 성격에 따라 구분

2-1. 프로세스 관리자

• 프로세스의 생성 및 삭제
• CPU 할당을 위한 스케줄 결정
• 프로세스의 상태를 관리하며 상태 전이 처리

프로그램 파일 : 저장장치에 파일 형태로 들어있는 프로그램
프로세스 : 프로그램이 동작/실행하고 있는 형태

2-2. 메모리 관리자

• 메모리(주기억장치) 공간에 대한 요구의 유효성 확인
• 메모리 할당 및 회수
• 메모리 공간 보호

2-3. 장치 관리자

• 컴퓨터 시스템의 모든 장치 관리
  • 하드 디스크, SSD, 키보드, 마우스, 프린터, 유무선 네트워크 카드 등
• 시스템 장치의 할당, 작동, 반환

2-4. 파일 관리자

• 컴퓨터 시스템의 모든 파일 관리
  • 프로그램 파일, 데이터 파일 등
• 저장장치의 공간 관리
• 파일의 접근 제한 관리

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3. 운영체제의 유형

3-1. 일괄처리 운영체제 (Batch processing)

작업을 모아서 순서대로 처리하는 방식

• 사람(오퍼레이터)이 하던 일을 프로그램이 빠르게 처리하게 되면서 전체적인 작업 처리 속도가 향상됨
• 나중에 들어온 작업은 앞선 작업들이 모두 끝날 때까지 아무런 상호작용 없이 기다려야만 함

3-2. 시분할 운영체제 (Time-sharing)

각 사용자의 프로그램을 한 번에 조금씩 수행하는 방식

• 대화형(interactive) 운영체제라고도 함
• 사용자들은 마치 혼자 컴퓨터를 사용하는 듯한 느낌을 받음
• 응답시간이 일괄처리 운영체제보다 크게 단축됨
  • 응답시간: 요청한 시점부터 반응이 시작되는 시점까지의 소요시간

3-3. 실시간 운영체제 (Real-time; RTOS)

원하는 시간 내에 프로그램의 결과를 얻을 수 있는 방식

• 처리결과가 현재의 결정에 영향을 주는 환경에서 사용됨
  • 미사일 제어 시스템, 증권거래 관리 시스템 등
• 중요한 작업에 대한 처리 기한을 맞추는 것이 중요
  • 우선순위가 높은 작업을 우선 처리할 수 있는 기법 활용

3-4. 분산 운영체제

• 분산 시스템을 관리하기 위한 운영체제
  • 분산 시스템: 2개 이상의 컴퓨터 시스템이 네트워크로 서로 연결되어 서로의 자원을 이용하는 시스템
• 다른 컴퓨터 시스템의 자원을 이용하는 것이 마치 자신의 컴퓨터 시스템에 있는 자원을 이용하는 것처럼 가능해야 함