[운영체제] 1. Introduction to Operating Systems

운영체제란 무엇인가, 운영체제의 목적, 운영체제의 분류, 운영체제의 예, 운영체제의 구조

운영체제는 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되는 소프트웨어 계층으로서 모든 컴퓨터 시스템의 필수적인 부분이다. 이와 같은 운영체제의 개념과 역할, 운영체제를 구성하는 각 요소 및 그 알고리즘의 핵심적인 부분에 대해 기초부터 학습할 예정!

• 운영체제 개요
• 컴퓨터 시스템의 구조
• 프로세스 관리
• CPU 스케줄링
• 병행 제어
• 데드락
• 메모리 관리
• 가상 메모리
• 파일 시스템
• 입출력 시스템
• 디스크 관리

1. 운영체제(Operating System, OS)?

• 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
• 협의의 운영체제(커널)
  • 커널: 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
• 광의의 운영체제
  • 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념
    • 예시) 커널 뿐만 아니라 부가적인 프로그램 - 파일 복사, 별도의 프로그램

2. 운영 체제의 목적

• 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공
  • 운영 체제는 동시 사용자/ 프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공
    • 컴퓨터 1대가 서로 다른 프로그램을 동시에 실행
  • 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행
• 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리 (핵심 기능!)
  • 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리 - cpu, memory 등등 → 하드웨어 자원
    • 주어진 자원으로 최대한의 성능을 내도록(효율성)
      • 특정 사용자가 차별받는 상황 발생 가능
    • 사용자간의 형평성 있는 자원 분배
  • 사용자 및 운영체제 자신의 보호
  • 프로세스, 파일, 메시지 등을 관리 → 소프트웨어 자원

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• CPU는 1개 - 아주 짧은 시간 간격으로 번갈아서 할당, 반복 ⇒ CPU 스케줄링
• 메모리 → 어떤 프로그램에게 메모리를 얼마나 할당해야할 것인가.

3. 운영 체제의 분류

- 동시 작업 가능 여부
- 사용자의 수
- 처리 방식

동시 작업 가능 여부

• 단일 작업(single tasking)
  • 한 번에 하나의 작업만 처리
  • 예) MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음
  • 예) 특수 목적을 위해 제작된 기계 - 지금의 기기들은 거의 다중 작업 지원
• 다중 작업(multi tasking)
  • 동시에 두 개 이상의 작업 처리
  • 예) UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령으 ㅣ수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음

사용자의 수

• 단일 사용자 (single user)
  • 예) MS-DOS, MS Windows
• 다중 사용자 (multi user)
  • 예) UNIX, NT server
  • 계정 여러개를 만들어서 사용 가능, 여러 사용자 동시 접속 가능
  • 사용자가 많을수록 보안 기능과 형평성 고려해야 함.

처리 방식

• 일괄 처리(batch processing)
  • 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리 - 그때는 가장 효율적이었다.
  • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
  • interactive 하지 않음.
  • 가능하면 오류가 나지 않게 하는 것이 중요 - 현재는 컴파일러 사용
  • 예) 초기 Punch Card 처리 시스템
• 시분할(time sharing) - 일반적인 범용 컴퓨터
  • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
  • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
  • 예) UNIX
  • interactive한 방식
  • 데드라인이 있는게 아님. 사용자가 엄청 많아지면 더 느려질 수 있음
  • 빠르게 하고, 동시에 주어진 자원을 최대한 활용하는 것이 목적
• 실시간(Realtime OS)
  • 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
    • 데드라인이 있어서 결과물을 보장해줌. → 특수한 목적을 가진 시스템
  • 예) 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로봇 제어
  • pipelining?
• 실시간 시스템의 개념 확장
  • Hard realtime system(경성 실시간 시스템)
    • 데드라인을 지키지 않으면 치명적인 결과
  • Soft realtime system(연성 실시간 시스템)
    • 데드라인은 있지만 큰 문제는 발생x
      예) 영화 보기 - 초당 프레임 디코딩

• 지금 우리가 사용하는 범용 컴퓨터 운영체제는 다중 작업, 다중 사용자, 시분할 사용
• 스마트폰 장비 → 데드라인 필요한 작업(블랙박스, 네비게이션), 실시간성 필요

4. 몇 가지 용어

• Multitasking: 여러 작업이 동시에 실행
  • task가 여러개 돌아가고 있지만 엄밀히 말하면
  • CPU에서 매순간은 하나의 작업만 실행- 시분할해서 동시에 작업하는 것처럼 보임
• Multiprogramming
  • 메모리에 여러 프로그램이 동시에 올라가는 것
  • 특별히 메모리 측면을 강조하는 용어
• Time sharing
  • 시 분할. 시간을 공유해서 쓰는 방식
  • CPU 강조하는 용어- 시간을 쪼개서 여러 프로그램 실행
• Multi process
  • 여러 프로그램 - process 동시에 실행된다
• 구분
  • 위의 용어들은 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻한다.
  • Multiprogramming은 여러 프로그램에 메모리에 올라가 있음을 강조
  • Time Sharing은 CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
    : CPU가 1개더라도 시간을 나누어서 동시에 실행하는 시스템
    ↔ 하드웨어적으로 다른 시스템 - Multiprocessor
• Multiprocessor
  • 하나의 컴퓨터에 CPU(processor)가 여러 개 붙어 있음을 의미
  • 다중 처리기 → 여러 프로그램이 각각의 cpu에 동시에 들어가 있을 수 있다.

5. 운영 체제의 예

• 유닉스(UNIX)
  → 대형 컴퓨터를 위한 운영체제 - 멀티태스킹
  • 코드의 대부분을 C언어로 작성 - 아예 프로그래밍 언어를 만들어서 사용
    - 기계어와 가까운 C언어 - 기계를 직접 다루는 운영체제 다루기에 적합
  • 높은 이식성 - portable: 전혀 다른 컴퓨터에 이식하기가 쉽다.
  • 최소한의 커널 구조
    • 핵심적인 것만 커널에
  • 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
  • 소스 코드 공개 - 누구나 가져다 쓰기가 쉬웠다.
  • 프로그램 개발에 용이
  • 다양한 버전
    - System V, FreeBSD, SunOS, Solaris
    • Linux - 소스 코드 공개, 누구나 자유롭게 사용 가능,
      • 여러 가지 환경/개인이 쓰기에도 좋음

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=> MS - 개인용 컴퓨터 PC를 위해 만들어진 운영체제 → 처음에는 단일 사용자, 단일 작업만 지원

• DOS(Disk Operating System)
  • MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
  • 단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계(주 기억 장치: 640KB)
• MS Windows
  • MS 사 다중 작업용 GUI 기반 운영체제
  • Plug and Play, 네트워크 환경 강화
  • DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
  • 불안정성 - 초창기 → 현재는 상당히 발전
  • 풍부한 지원 소프트웨어
• Handheld device를 위한 OS
  • PalmOS, Pocket PC(WinCE), Tiny OS

6. 앞으로 배워야할 개념. 운영체제 구조

• CPU 스케줄링: 어떤 프로그램에게 CPU를 할당할까?
• 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떻게 쪼개어 쓸까? - 추후 배울 예정) working set model
  - 어떤 것을 쫓아낼 것인가?
  - 미래에 사용할 것을 예측하는 것이 필요
• 파일 관리: 디스크에 파일을 어떻게 보관할 것인가?
• 디스크 스케줄링 - 엘리베이터 스케줄링과 상당히 유사
  - 헤드가 이동하면서, 먼저 들어온다고 먼저 처리하는 것이 효율적인 것이 아니다.
  - 어떻게 움직임을 최소화할 수 있는가?
• 입출력 관리: 각기 다른 입출력 장치와 컴퓨터 간에 어떻게 정보를 주고 받게 하지?
• 프로세스 관리
  • 프로세스와 생성과 삭제
  • 자원 할당 및 반환
  • 프로세스 간 협력
• 그외
  • 보호 시스템
  • 네트워킹
  • 명령어 해석기(command line interpreter)