3.1.1 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 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
- 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
- I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스,키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
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 올바름 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/O 디바이스는 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.
3.1.2 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 제어하고 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
- 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한, 레지스터에도 로드한다.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 ALU에 명령한다.
- 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 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이다.
- 하나의 작업을 CPU와 DMA컨트롤러가 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.
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