[OS 공룡책] Ch02. Operating-System Structures

Chapter 2: Operating-System Structures

Operating System Services

Operating System

• 하드웨어와 애플리케이션 소프트웨어 중간 매개체 역할을 하는 소프트웨어
• kernel + 여러가지 service → 여러가지 sevice : protection, security
  
• kernel의 역할

  1. Process 관리

     CPU에서 리소스 사용하면서 일 시키는 것

  2. Memory 관리

     코드, data, stack, heap 공간 관리

  3. I/O 관리

     I/O 요청 시 I/O 접근할 수 있게 하는 것

  4. Storage 관리

     비휘발성 저장 장치 제어하는 것

• kernel 공간 + system 공간 + user 공간 명확하게 구분
• 지원하는 기능
  1. Virtualization 가상화
  2. Concurrency 병렬화
  3. Persistency 지속성

Operating System Services

• 실행 환경 제공
  • User Interface
  • Program execution
  • I/O operations
• user를 위한 함수 제공
  • File-system manipulation
  • Communications : IPC (process 간의 통신)
  • Error detection
• resource sharing을 통한 효율적은 operation 제공
  • Resource allocation
  • Accounting
  • Protection and Security

A View of OS

• 각각의 역할, 모듈별로 기능들을 서비스할 수 있도록 만들어짐
• system calls : 서비스 ↔ 유저 애플리케이션 매개체 역할 → OS API 제공
  

User and Operating-System Interface

OS User Interface

• CLI
  • 대표적 CLI : shells
  • bash shells 창시자 : GNU 프로젝트
• GUI
  • MS Windows, Applc Max OS X, Unix/Linux…
• TSUI
  • Touchscreen user interface
  • 터치 패드 사용
• Voice commands Interface
  • 자동차 : 터치보다는 말

→ user interface를 통해 process 실행

Programming Interface

• API : Application Programming Interface
• scanf → read system calls 매핑하여 실행
• system call : user application에서 kernel에 접근하기 위한 장치

System Calls

System Call Implementation

• System-call interface

  • system call 번호 인덱싱된 테이블 포함

  • OS kernel에서 system call 호출 → system call 상태 리턴

    

• 사용자는 system call이 어떻게 구현됐는지 몰라도 됨

Relation between API and System Call on Linux

• Interrupt
  • 소프트웨어 인터럽트 : kernel에게 알릴 때 (0x80)
  • 하드웨어 인터럽트 : 문제가 생겼을 때 (trap)
• IDT(Interrupt Description Table)
  • 인터럽트들을 배열해놓은 테이블
  • kernel 내부에 정의
  • interrupt들마다 번호가 몇 번인지 정의
• movl 2, %eax
  • 커널에 갔을 때 eax 값에 따른 동작
  • 2니까 sys_fork()
• sys_call_table
  • 링크드리스트 형태로 실행할 코드를 포인팅
  • kernel 내부에 정의

Standard C Library Example

• 대부분 systemcall 내부적으로 호출
• 고급언어 작성 → (컴파일) → 어셈블리어 → 기계어(bit의 집합) → CPU가 실행
• “ Stack/Heap/Data/Instruction “
• PC값에 따라 Instruction이 BUS 타고 CPU 안에 들어간다. → 명령어가 어떤 의미를 가지는지는 CPU에 따라 정의됨.
  
• CPU 레지스터
  • GPR 범용 레지스터 : eax, ebx, sp, pc
  • Segment 레지스터 : data segment, code segment
  • Flag 레지스터 : Zero flag, branch flag

Operating-System Structure

Kernel의 구조

1. monolithic kernel

   

   • Non Simple Structure
   • ex. UNIX, maxOS, windows, ios
   • service들을 모두 통으로 연관되게
   • 장점 : 빠름, 효율적
   • 단점 : 하나의 service를 수정할 때 다른 것들에 영향을 미침 → 유지보수 어려움
     

2. micro kernel

   

   • ex. mach
   • 커널에는 핵심만(process, memory, I/O resource) 남기기 → 나머지는 위로 올림
     
   • message passing을 통해 모듈 간 통신
   • 장점 : 유지보수, 기능 확장 good!
   • 단점 : kernel 공간 - user 공간 통신할 때 성능 저하

3. module kernel

   

   • ex. Linux, Android, Solaris
   • 1, 2번 장점만 흡수
   • 한꺼번에 집어넣되 인터페이스 구분(모듈형) → kernel의 핵심 기능 넣고 빼고 할 수 있는 것
     
   • 장점
     • 시스템콜 오버헤드 X
     • kernel 내 통신 빠름 → 속도, 효율성
   • 단점
     • 막상 분리하니 커널의 성능이 떨어짐 → 사실상 1번 형태로 가는 중
     • 확장 어려움

구조의 역사

• Simple Structure : MS-DOS
  • 가장 초기의 간단한 kernel
  • OS의 기능 거의 X
• monolithic kernel
• Layered Approach
  • 모듈화 → 각 계층은 바로 아래 계층에서 제공하는 기능만 사용
  • 장점
    • 유지 보수 용이 → 위 아래하고만 맞춰주면 됨.
    • 설계 구현 간단
  • 단점
    • 각 계층의 기능 정의 어려움 → 오직 하위 계층의 기능만 사용하기 때문
    • 순서대로 계층을 따라 기능이 수행되어야 함 → 비효율성 (성능 저하)
• Microkernel System Structure
• module kernel
• Hybrid System
  • 장점 최대한 취합
  • Linux, Android(Module) + Windos,macOS(Monolithic)

OS 구조

• UI - System call - kernel의 Services
• UI (알고만 있기)
  • window : Explorer
  • macOS : Aqua
  • ios : springboard
  • Linux : KDE
  • GNU : GNOME
• Services
  • Kernel Core, 핵심
  • OS마다 제각각