OS Chapter 1. Overview

Nine·2022년 2월 24일
I/O 구조OSOS 구조OS가 하는 일Process 관리dma메모리 관리보안운영체제저장소 관리커널컴퓨터 시스템 구조컴퓨터 환경
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Operating System

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🔨 컴퓨터 시스템 요소

  • 하드웨어(CPU, 메모리, 입출력 장치)
  • 운영체제
  • 어플리케이션 프로그램
  • User

1. OS가 하는 일

  • 하드웨어 관리
  • 하드웨어, 소프트웨어, 유저를 매개
  • 커널과 커널 모듈로 구성
    • 커널이 핵심!
    • 커널이 같으면 같은 OS로 취급해요.
  1. os는 정부!
    • 그 자체 : 무쓸모
    • BUT 사람들에게 좋은 환경 제공! (프로그램들이 유용한 일을 할 수 있도록 환경 제공)
  2. User View, System View 두 가지로 나눠볼 수 있어요.

😀 User View

  • 사용자가 컴퓨터 쉽게 사용할 수 있도록 컴퓨터 리소스를 분배해요.
  • 여러명 일 경우 공평하게

😀 System View

  • 시스템에게는 자원 할당자 역할을 합니다.
  • CPU time, 메모리 공간, 파일 저장 공간, 입출력 장치 등 다양한 컴퓨터 자원을 위한 제어 프로그램 역할을 합니다.

2. 컴퓨터 시스템 구조

😀 기본 구조

  • CPU / Device Controller (디스크, 마우스 키보드, 프린터, ...)
    • 이들은 Common Bus로 이어져 메모리를 공유해요.

😀 컴퓨터 부팅

  1. 부트스트랩 프로그램 실행 (int ROM,EEPROM) - 펌웨어라고도 해요.
  2. 부트스트랩 프로그램 : 시스템 초기화 → 부트 로더 실행 (멀티 부팅 컴퓨터는 부트로더가 여러 OS를 관리하는데 어느 OS를 실행할지 선택합니다.) → OS 실행
  3. 커널 로드 → User, System에 서비스 제공 (일부는 커널 외부에서 제공해요. 예를 들면 시스템 프로세스, 시스템 데몬..)

😀 컴퓨터 시스템 Operation

  • Device Controller 는 인터럽트를 통해 이벤트 발생을 CPU에게 알려요.
  • CPU는 이런 이벤트를 받아 우선순위를 기준으로 커널이 작업을 처리할 수 있도록 해줘요.

👉 인터럽트

  • 하드웨어 : 시스템 버스를 통해서 CPU로
  • 소프트웨어 : 시스템 콜을 통해서 CPU로, 특별히 TRAP이라고 불러요.

😀 Common Functions of Interrupts

  • 인터럽트를 받은 CPU는 동작을 잠시 멈추고 메모리의 특정 위치를 찾아요. → 이 위치는 인터럽트 벡터에 저장되어 있어요.
  • 인터럽트 벡터 : 인터럽트 처리할 수 있는 서비스 루틴들의 주소를 가지고 있어요.

😀 인터럽트 Handling

  • 폴링(Polling)
    • 주기적으로 이벤트를 감시하여 처리 루틴 실행
    • 하지만 계속 보니깐 자원을 낭비하게 되겠죠?
  • 현대 OS는 대부분 인터럽트 주도적
    • 👉 인터럽트 발생 전까지는 CPU가 대기 상태입니다.

3. I/O Structure

  • 입출력 컨트롤러는 각기 다른 장치를 담당해요.
  • 이 컨트롤러들은 각 장치를 위한 Device Driver를 가지고 있어요.
  • Device Driver → Device Controller의 레지스터를 로드 → Device Controller는 동작을 읽고 로컬 버퍼로 데이터를 전송 → 전송 끝나면 Device Driver에게 인터럽트 보냄 → OS로 통제권을 돌려줌 👉 즉, Device Driver ↔ Device Controller 상호작용하며 동작을 읽고 해당 동작을 수행할 수 있도록 OS에 입출력을 요청해요.

4. Direct Memory Access Structure

  • 옛날 : Device Data → CPU → Memory (PIO방식) / CPU 비효율
  • 현재
    • DMA 사용
    • DMA는 메모리 일부에 할당
    • DMA Controller가 DMA 제어
    • 버스를 통해 Device Data ↔ Memory
    • CPU는 전송 완료 인터럽트 한 번이면 끝남

5. Computer-System Architecture

  • 현대 컴퓨터 : 폰 노이만 구조

😀 Single-Processor Systems

  • 1 컴퓨터 1 메인 CPU
  • 장치에 따라 하나의 목적을 가진 프로세서

😀 Multiprocessor Systems

  • 1 컴퓨터 多 프로세서
  • 장점이 많아요.
    • 처리량 증가
    • 규모의 경제 (여러 개 싱글 프로세서보다 하나의 멀티가 더 경제적)
    • 신뢰성 증가 : 프로세서 하나가 멈춰도... 버텨!
      • 우아한 성능저하(Graceful degradation)
      • 장애 허용 시스템(Fault tolerant)
  • 비대칭 멀티 프로세싱 (Asymmetric) vs 대칭 멀티프로세싱 (Symmetric)
    • 비대칭
      • 보스 프로세서가 전부 제어
      • 부하 분산을 효율적
      • 하지만 보스가 죽으면 부하들도 멈춰요.
    • 대칭
      • 보스 없는 자유로운 회사
      • 한 명이 휴가 나가도 다른 친구들이 일을 분담하고
      • 돌아와서 다시 일을 같이 하는 공유 메모리 문화가 좋아요.

😀 A Dual-Core Design

  • 하지만 CPU 늘린다고 무작정 좋은 건 아니예요.
    • 프로세서 통신 간 비용 증가해요.
    • 사공이 많으면 배가 산으로 가는 느낌!
  • 따라서 요즘 트렌드는 좀 다르죠. 👉 1 Chip 多 Cores 멀티코어
    • 칩 외부보다 칩 내부 통신이 빠르기 때문에 더 효율적
    • CPU → CPU Core 0, 1, 2, 3 .... CPU를 또 쪼갠다는 느낌

😀 Clustered Systems

  • 멀티 프로세서 시스템의 일종이예요.
  • 여러 CPU 모아둔 구조입니다.
  • 다른 점이 뭘까요?
    • 멀티프로세서 시스템 : 여러 CPU → 1 시스템
    • 클러스터 시스템 : 여러 독립적 시스템 → 1 시스템 (Loosely Coupled)
    • 보통 여러 컴퓨터들이 하나의 저장소를 공유하고 LAN같은 네트워크로 연결한 시스템을 말하는 것 같아요.
      • 비대칭 클러스터링 : 여러 시스템 중 하나는 상시 대기모드로 다른 노드들을 모니터링만 합니다.
      • 대칭 클러스터링 : 두 개 이상의 노드가 작업도 수행하면서 동시에 다른 노드들을 모니터링하는 구조입니다.

6. Operating System Structure

  • 멀티 프로그래밍 : 여러 프로그램을 메모리에 로드해두고 프로세스 대기 상태 시 다른 프로세스 작업을 수행해요.
  • 시분할 (Time Sharing)
    • 멀티태스킹이예요.
    • 프로세스마다 작업 시간 정해두고 번갈아 가면서 작업해요.
    • Response Time을 줄이는 것이 중요해요.
    • 마치 동시에 작동하는 것처럼 보이게 해요.

❗ 가상 메모리 사용

  • 너무 많은 메모리를 사용하면 Response Time을 줄이기 위해 가상 메모리를 사용해요.
  • 보조 기억 장치의 일부를 마치 메인 메모리처럼 사용하는 기술이예요.

👉 CPU 스케줄링, 작업 스케줄링

  • 이렇게 동시에 메모리에 여러 작업을 올리므로 메모리가 부족할 수 있어요.
  • 이 때 어느 작업을 먼저 처리할지 고민해야합니다.

7. Operating-System Operations

  • OS는 인터럽트 주도적이예요.
  • 즉, 시스템은 인터럽트를 기다립니다.
  • OS와 User는 컴퓨터 자원을 공유하기 때문에 User Program이 오류를 일으키지 않도록 방지해야 해요.

8. Dual-Mode and Multimode Operation

👉 User Program이 시스템에 접근하지 못하도록 Mode를 나눠요.

Kernel Mode

  • mode bit == 0
  • 커널 모드일 때에만 Privileged instruction(특권 명령)을 실행해요.
  • 믿을 수 있는 친구구나!

User Mode

  • mode bit == 1
  • 너는 나쁜 의도를 가지고 있을 수도 있겠어.
  • 순수한 친구들이 커널 모드 쓰고 싶으면 시스템 콜을 사용해야 해요.

9. Timer

  • User program이 OS에게 제어권을 넘겨주지 않는 상황을 방지하기 위해 타이머를 사용해요. (혼자 독식하려는 나쁜 친구들)
  • 특정 주기마다 타이머를 발생시켜 인터럽트가 발생해요.

10. Process Management

  • on 디스크 → Program
  • on 메모리 → Process
  • 1프로그램이라도 多프로세스가 가능해요. (브라우저 창 여러 개 띄워두는 느낌)

11. Memory Management

  • 프로그램은 실행될 때 절대 주소로 매핑되어 메모리에 로드됩니다.
  • OS는 메모리 관리를 위해 메모리의 어떤 부분이 어디에 쓰이는지, 누가 사용하는지 추적하고, 어떤 프로세스와 데이터가 메모리의 안팎으로 옮겨질지 결정한다. 또한 메모리 공간을 할당하고 해제하는 것도 운영체제가 하는 일이다.

12. Storage Management

  • OS는 저장장치의 물리적 속성을 추상화 → 파일(File)이라는 논리적 저장 단위로 정의해요.
  • 파일을 물리적 매체(Physical media)에 담거나 저장장치의 파일에 접근하기도 해요.

File-System Management

  • 파일 탐색기처럼 파일 읽고 쓰고 수정하고!

Mass-Storage Management

  • 프로그램은 디스크에 있으며 메인 메모리에 로드되어 사용됩니다.
  • USB처럼 제 3 저장 장치
  • 파일 시스템
    • NTFS : 윈도우NT의 파일 시스템
    • FAT(File Allocation Table) : 윈도우에서 사용하는 파일 시스템

Caching

  • 캐시 : 굉장히 빠르고 작은 저장장치예요.
    • 지역성 원리를 사용합니다.
      • 시간 지역성
      • 공간 지역성

I/O System

  • OS는 모든 입출력 장치를 파일로 취급해요.
  • 오직 Device Driver 만이 장치의 세부 정보를 알고 있습니다.

13. Protection and Security

🔐 1컴 多 사용자이므로 보안이 중요해요.

  • 커널 모드 vs 유저 모드 도 보안의 일종이죠.
  • 권한 확대(Privilege Escalation) 👉 컴 시스템 권한을 여러 층으로 나누고 사용자 권한을 여러 개로 구분합니다. 이후 기준에 따라 사용자의 권한을 상승시키는 시스템입니다. (마치 신분제도 같네요)
    • 수직 권한 확대 : 임의 코드를 실행시켜 더 높은 권한을 얻는 행위 (sudo 느낌인가?)
    • 수평 권한 확대 : 안드로이드 루팅, iOS 탈옥

14. Kernel Data Structures

  • 커널 구현 때 리스트, 큐, 스택, 링크드 리스트 등 다양한 자료구조가 사용되지만 O(logn)의 시간복잡도를 가지는 트리를 주로 사용합니다.

15. Computing Environments

😀 현대 컴퓨팅 환경 특징

  • 휴대성, 가상화, 멀티코어
  1. 모바일 컴퓨팅 환경
  2. 분산형 컴퓨팅
  3. 클라이언트 서버 컴퓨팅 (대표적 AWS)
  4. P2P 컴퓨팅
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Nine
함께 웃어야 행복한 개발자 장호영입니다😃
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