운영체제
운영체제 (OS, Operating System) 은 간단하게 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스로 한정된 메모리, 자원을 효율적으로 분배하는 것이다.
비슷한 것으로 펌웨어 (firmware) 라는 것이 있는데 펌웨어는 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없다는 차이가 있다.
운영체제와 컴퓨터
- 하드웨어와 소프트웨어를 관리하는 운영체제
- CPU, 메모리 등으로 이루어진 컴퓨터
위 2가지를 알아보자.
운영체제 역할과 구조
운영체제의 역할
운영체제의 역할을 알아보자.
- CPU 스케줄링, 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할 지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환 관리
- 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리 : 어떠한 방법으로 디스크 파일을 보관할 지 관리
- I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스 (마우스, 키보드와 같은) 와 컴퓨터 간 데이터 주고 받는 것 관리
운영체제의 구조
사진과 같이 맨 위에 소프트웨어 ~ 맨 아래에 하드웨어가 있는 구조인데, 중간에 표시한 부분이 운영체제 부분이다.
GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있긴 하다.
GUI (Graphical User Interface) : 아이콘을 마우스로 클릭하는 것 같이 명령어를 입력해서 상호작용하는 것이 아닌 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 사용자 인터페이스의 형태
드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
CUI : 명령어로 처리하는 인터페이스
시스템 호출 (시스템 콜)
운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
소프트웨어가 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.
소프트웨어가 I/O 요청으로 트랙을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저 모드였던 시스템 콜이 커널 모드로 변환돼 요청에 맞춰 파일 시스템에 영향을 준다.
ex)
fs.readFile()라는 파일 시스템 파일을 읽는 함수가 있다면 커널 모드로 읽고 유저 모드로 돌아가 소프트웨어의 로직 수행
이 과정으로 컴퓨터 자원에 직접 접근하는 것을 차단할 수도 있고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
프로세스 or 스레드에서 OS로 어떠한 요청을 한다면 시스템 콜 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.
시스템 콜은 하나의 추상화 계층이기 때문에 아래와 같은 장점이 있다.
장점
유저 프로그램은 시스템 콜을 기반으로 커널과 분리가 된다.
즉, 유저 프로그램은 복잡한 파일 시스템, 프로세스 생성 등과 같은 내부 동작을 신경 쓸 필요 없다.
또, OS의 관리 하에 프로그램이 운영되기 때문에 시스템의 안정성, 보안이 강화된다.
ex) 공격자가 만든 카메라 앱 프로그램이 아무 제약 없이 커널에 접근할 수 있다면, 카메라와 관련된 메모리가 오염돼 사용자의 의도와 관계 없이 카메라가 켜지거나 사생활 노출이 될 수 있다.
그래서 유저 모드에서 시스템 콜로만 커널 모드에 진입할 수 있게 한 것이다.
쉽게 이야기하면 아래와 같다.
- 네트워크 통신이나 DB같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램 구현할 수 있다.
modebit
시스템 콜은 작동될 때 modebit 를 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
0은 커널 모드, 1은 유저 모드로 무조건 이 플래그 변수로 작동해야 한다.
유저 모드를 기반으로 프로그램이 작동되면 공격자가 악의적인 행위를 할 수 있게 된다.
ex) 카메라를 키는 프로그램을 예시로 든 사진이다.
컴퓨터(하드웨어) 의 요소
CPU
CPU (Central Processing Unit) : 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성된 장치
CPU는 인터럽트에 의해 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할을 한다.
관리자의 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 처리한다.
산술논리연산장치
산술논리연산장치 (Arithmetic Logic Unit) : 덧셈, 뺄셈 같은 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로다.
제어장치 (CU)
제어장치 (Control Unit) : 프로세스 조작을 지시하는 부품
I/O 장치 간 통신을 제어하고 명령어를 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
레지스터
레지스터 : CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억 장치
연산 속도가 메모리보다 월등히 빠르며, CPU에 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없어 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
CPU 연산 처리
위 장치들을 통해 연산하는 예시는 아래와 같다.
- 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드한다.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령하면
- 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터 -> 메모리로 계산한 값을 저장한다.
인터럽트
어떤 신호가 왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.
인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 핸들러 함수를 실행한다.
물론 인터럽트 간에는 우선순위가 있어서 그것에 따라 실행되고, 하드웨어/소프트웨어 인터럽트 2가지가 있다.
인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생할 때 이를 핸들링하기 위한 함수
하드웨어 인터럽트
키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 것처럼 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트
ex) 마우스 클릭, 디스크에서 파일 읽기/쓰기 작업이 완료됐을 때 발동
소프트웨어 인터럽트
트랩이라고도 하며 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
하드웨어 인터럽트보다 우선순위가 높다.
DMA 컨트롤러
I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다.
CPU에 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오는데 그로 인한 부하를 DMA 컨트롤러가 막아준다.
- CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 같은 작업을 하는 것도 방지한다.
메모리
전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
보통 RAM을 메모리라고도 한다.
CPU 가 계산을 한다면, 메모리는 기억을 담당한다.
타이머
특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
만약 프로그램이 무한 루프에 빠지게 된다면 그 프로그램때문에 컴퓨터 자원을 많이 소모하기 때문에 시간 제한이 필요하다. 그것을 위해 타이머가 존재한다.
디바이스 컨트롤러
컴퓨터와 연결돼 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU라고 보면 된다.
옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리 역할이다.
