https://sites.google.com/view/hpclab/courses/operating-system
https://youtu.be/EdTtGv9w2sA
한국기술교육대학교 김덕수교수님 운영체제 강의 듣고 정리합니다.

운영체제 개요

Operating Systems overview

운영체제의 역할

• User Interface(편리성)
  • CUI (Character User Interface)
  • GUI (Graphical User Interface)
  • EUCI (End-User Comfortable Interface)
• Resource management(효율성)
  • HW resource (processor, memory, I/O devices, etc.)
  • SW resource (file, application, message, signal, etc.)
• Process and Thread management
• System management(시스템 보호)

컴퓨터 시스템의 구성

운영체제의 구분

• 동시 사용자 수
  • Single-user system
  • Multi-user system
• 동시 실행 프로세스 수
  • Single-tasking system
  • Multi-tasking system(Multiprogramming system)
• 작업 수행 방식(사용자가 느끼는 사용 환경)
  • Batch processing system
  • Time-sharing system
  • Distributed processing system
  • Real-time system

동시 사용자수

• 단일 사용자 (Single-user system)
  • 한명의 사용자만 시스템 사용 가능
    • 한명의 사용자가 모든 시스템 자원 독점
    • 자원 관리 및 시스템 보호 방식이 간단함
  • 개인용 장비(PC, mobile) 등에 사용
    • Windows 7/10, android, MS-DOS 등
• 다중 사용자 (Multi-user system)
  • 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용
    • 각종 시스템 자원(파일 등)들에 대한 소유 권한 관리 필요
    • 기본적으로 Multi-tasking 기능 필요
    • OS의 기능 및 구조가 복잡
  • 서버, 클러스터(cluster) 장비 등에 사용
    • Unix, Linux, Windows server 등

동시 실행 프로세스 수

• 단일 작업(Single-tasking system)

  • 시스템 내에 하나의 작업(프로세스)만 존재
    • 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른 프로그램의 실행
  • 운영체제의 구조가 간단
  • 예) MS-DOS

• 다중 작업(Multi-tasking system)

  • 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능

    • 작업들 사이의 동시 수행, 동기화 등을 관리해야 함

  • 운영체제의 기능 및 구조가 복잡

  • 예) Unix/Linux, Windows 등

    작업 수행 방식

  • Batch processing system

    • 일괄처리 시스템

  • Time-sharing system

    • 시분할 시스템

  • Distributed processing system

    • 분산처리 시스템

  • Real-time system
    - 실시간 시스템

    순차 처리(No OS, ~ 1940s)

  • 운영체제 개념 존재하지 않음

    • 사용자가 기계어로 직접 프로그램 작성
    • 컴퓨터에 필요한 모든 작업 프로그램에 포함
      • 프로세서에는 명령어 저장 방법, 계산 대상, 결과 저장 위치와 방법, 출력 시점, 위치 등

  • 실행하는 작업 별 순차 처리
    - 각각의 작업에 대한 준비 시간이 소요

    Batch System(1950s ~ 1960s)

  • 모든 시스템을 중앙(전자계산소 등)에서 관리 및 운영

  • 사용자의 요청 작업(천공카드 등)을 일정 시간 모아 두었다가 한번에 처리

  • 시스템 지향적 (System-oriented)
    - 장점
    - 많은 사용자가 시스템 자원 공유
    - 처리 효율(throughput) 향상
    - 단점
    - 생산성(productivity) 저하
    - 같은 유형의 작업들이 모이기를 기다려야 함
    - 긴 응답시간(turnaround time)
    - 약 6시간 (작업 제출에서 결과 출력까지의 시간)

    Time Sharing System(1960s ~ 1970) 시분할 시스템

  • 여러 사용자가 자원을 동시에 사용

    • OS가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리

  • 사용자 지향적(User-oriented)

    • 대화형(conversational, interactive) 시스템
    • 단말기(CRT terminal) 사용

  • 장점

    • 응답시간(response time) 단축(약 5초)
    • 생산성(productivity)향상
      • 프로세서 유휴 시간 감소

  • 단점
    - 통신 비용 증가
    - 통신선 비용, 보안 문제 등
    - 개인 사용자 체감 속도 저하
    - 동시 사용자 수가 높아짐 → 시스템 부하가 큼 → 느려짐

    Personal Computing

  • 개인이 시스템 전체 독점

  • CPU 활용률(utilization)이 고려의 대상이 아님

  • OS가 상대적으로 단순함

    • 하지만, 다양한 사용자 지원 기능 지원

  • 장점

    • 빠른 응답 시간

  • 단점
    - 성능(performance)이 낮음

    Parallel Processing System 병렬처리 시스템

  • 단일 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서 사용

    • 동시에 둘 이상의 프로세서 지원

  • 메모리 등의 자원 공유 (Tightly-coupled system)

  • 사용목적

    • 성능 향상
    • 신뢰성 향상 (하나가 고장 정장 동작 가능)

  • 프로세서간 관계 및 역할 관리 필요

    Distributed Processing Systems

  • 네크워크를 기반으로 구축된 병렬처리 시스템 (Loosely-coupled system)

    • 물리적인 분산, 통신망 이용한 상호 연결
    • 각각 운영체제 탑재한 다수의 범용 시스템으로 구성
    • 사용자는 분산운영체제를 통해 하나의 프로그램, 자원처럼 사용 가능 (은폐성, transparency)
    • 각 구성 요소들간의 독립성유지, 공동작업 가능
    • Cluster system, client-server system, P2P 등

  • 장점

    • 자원 공유를 통한 높은 성능
    • 고신뢰성, 높은 확정성

  • 단점
    - 구축 및 관리가 어려움

    Real-time Systems

  • 작업 처리에 제한시간(deadline)을 갖는 시스템

    • 제한 시간 내에 서비스를 제공한는 것이 자원 활용 효율보다 중요

  • 작업(task)의 종류
    - Hard real-time task
    - 시간 제약을 지키지 못하는 경우 시스템에 치명적 영향
    - 예) 발전소 제어, 무기 제어 등
    - Soft real-time task
    - 동영상 재생 등
    - Non real-time task

    운영체제의 구조

  • 커널(Kernel)

    • OS의 핵심 부분(메모리 상주)
      • 가장 빈번하게 사용되는 기능들 담당
        • 시스템 관리(processor, memory, Etc) 등
    • 동의어
      • 핵 (neucleus), 관리자 (supervisor) 프로그램, 상주 프로그램 (resident program), 제어 프로그램 (control program) 등

  • 유틸리티 (Utility)
    - 비상주 프로그램
    - UI등 서비스 프로그램

    단일 구조

  • 장점

    • 커널 내 모듈 간 직접 통신
      • 효율적 자원 관리 및 사용

  • 단점
    - 커널의 거대화
    - 오류 및 버그, 추가 기능 구현 등 유지보수가 어려움
    - 동일 메모리에 모든 기능이 있어, 한 모듈의 문제가 전체 시스템에 영향 (예, 악성 코드 등)

    계층구조

  • 장점

    • 모듈화
      • 계층간 검증 및 수정 용의
    • 설계 및 구현의 단순화

  • 단점
    - 단일구조 대비 성능 저하
    - 원하는 기능 수행을 위해 여러 계층을 거쳐야 함

    마이크로 커널 구조

  • 커널의 크기 최소화
    - 필수 기능만 포함
    - 기타 기능은 사용자 영역에 수행

    운영체제의 기능

  • 프로세스(Process) 관리

  • 프로세서(Processor) 관리

  • 메모리(Memory) 관리

  • 파일(File) 관리

  • 입출력(I/O) 관리

  • 보조 기억 장치 및 기타 주변장치 관리 등

    Process Management

  • 프로세스 (Process)

    • 커널에 등록된 실행 단위 (실행 중인 프로그램)
    • 사용자 요청/프로그램의 수행 주체(entity)

  • OS의 프로세스 관리 기능

    • 생성/삭제, 상태관리
    • 자원 할당
    • 프로세스 간 통신 및 동기화(synchronization)
    • 교착상태(deadlock) 해결

  • 프로세스 정보 관리

    • PCB (Process Control Bloc)

  • 중앙 처리 장치(CPU)

    • 프로그램을 실행하는 핵심 자원

  • 프로세스 스케쥴링(Scheduling)

    • 시스템 내의 프로세스 처리 순서 결정

  • 프로세서 할당 관리
    - 프로세서들에 대한 프로세서 할당
    - 한 번에 하나의 프로세스만 사용 가능

    Memory Management

  • 주기억장치

    • 작업을 위한 프로그램 및 데이터를 올려 놓는 공간

  • Multi-user, Multi-tasking 시스템

    • 프로세스에 대한 메모리 할당 및 회수
    • 메모리 여유 공간 관리
    • 각 프로세스의 할당 메모리 영역 접근 보호

  • 메모리 할당 방법(scheme)
    - 전체 적재
    - 장점: 구현이 간단 / 단점: 제한적 공간
    - 일부 적재(virtual memory concept)
    - 프로그램 및 데이터의 일부만 적재
    - 장점: 메모리의 효율적 활용 / 단점: 보조기억 장치 접근 필요

    File Management

  • 파일: 논리적 데이터 저장 단위

  • 사용자 및 시스템의 파일 관리

  • 디렉토리(directory) 구조 지원

  • 파일 관리 기능
    - 파일 및 디렉토리 생성 / 삭제
    - 파일 접근 및 조작
    - 파일을 물리적 저장 공간으로 사상(mapping)
    - 백업 등

    I/O Management

  • 입출력(I/O) 과정
    - OS를 반드시 거쳐야 함

    Others

  • Disk

  • Networking

  • Security and Protection system

  • Command interpreter system

  • System call interface

    • 응용 프로그램과 OS 사이의 인터페이스
    • OS가 응용프로그램에 제공하는 서비스