[CS] 운영체제와 컴퓨터

! 면접을 위한 CS 전공 지식 노트를 통해 공부하고 정리한 글

1-1) 운영체제의 역할과 구조

운영체제는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 일을 한다.

• 참고로 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어라고 한다.

운영체제의 역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.

• 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리한다.

• 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리합니다.

• I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리합니다.

운영체제의 구조

민트색으로 표시된 부분들(GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버)이 운영체제에 속한다.

• GUI : 사용자 인터페이스의 한 형태로 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해준다.
• 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

시스템 콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.

• 유저 프로그램이 I/O의 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
  • 예를 들어 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동했을 경우 다음 그림과 같은 과정이 나온다.
    
  • 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.
  • 위의 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
    

• 위의 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

• 이 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 그러므로 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

modebit

• 시스템콜이 작동될 때 modebit이라는 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수를 통해 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.

• 키보드, 카메라와 같은 I/O디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. -> 공격자의 행동들을 막기 위해
  • 키보드 프로그램을 사용할 때 다음 그림과 같이 modebit을 활용한다.
    

• 정리하자면
  • 유저모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
  • 커널모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
  • 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

1-2) 컴퓨터의 요소

• 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

CPU

• 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행한다.

• 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.

제어장치

• 제어장치는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부분이다.

• 입출력 장치 간 통신을 제어학고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터

• CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치이다.

• CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.

• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치

• 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한, 레지스터에도 로드한다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 ALU에 명령한다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로'계산한 값을 저장한다.

인터럽트

• 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.

• 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트

• 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.

• 인터럽트가 발생되면 인트럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
  • 인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수, 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

• 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트(트랩)으로 나뉜다.

DMA 컨트롤러

• I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다.

• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아 주며 CPUㅇ의 일을 부담하는 보조 일꾼이다.

• 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

• 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치

• 보통 RAM을 말한다.

• 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

• 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU이다.