[운영체제] 2. Operating-System Structures

Operating System 서비스

• 프로그램 실행 환경 및 유저에게 서비스를 제공

1. 다양한 스타일의 User Interface를 제공하여 쉽게 사용할 수 있도록 함
   • Command-Line(CLI)
   • Graphics User Interface(GUI) → 일반 사용자도 접근 쉬움
   • touch-screen
2. 프로그램 작성, 디버깅, 컴파일, 메모리에 로딩 등과 같은 일련의 과정을 제공하여 Program excution
3. UI, 하드디스크, 네트워크 등 IO operation 제공
   • 모바일에서 센서를 통해 물리 시스템을 제어하거나 IoT와 같은 것도 IO operation
4. 파일 시스템 관리 (파일 읽기, 쓰기, 찾기, 권한 등)
5. 프로세스간의 정보 교환, 네트워크, shared memory 등의 ommunications
6. 하드웨어/소프트웨어 적인 에러, 외부 접근 등의 Error detection
7. 다수의 유저 또는 job이 실행될 때 각각 알맞게 리소스 할당 ⭐
   • 주요 자원: CPU cycles, main memory, file storage, IO system
   • 자원 관리가 운영체제의 kernel
8. OS가 실행되면서 누가, 언제, 어떤 리소스를 사용했는지, 어떤 에러가 발생했는지 등 이벤트에 대한 logging
9. 리소스에 대한 권한(protection), 외부 공격으로 부터 보호(security)

• 가장 밑에 하드웨어
• OS안에 다양한 서비스, system calls, UI
  
  

User Operating System Interface

• CLI (command line interpreter, shell)
  • 사용자가 명령어를 직접 입력
  • 어떤 명령어가 있는지 알아야 함
  • 개발의 편리함, 정교하고 빠르게 명령어 입력 가능
• GUI
  • 일반 사용자가 쉽게 사용할 수 있는 desktop metaphor interface
  • 파일, 프로그램, 액션을 나타내는 아이콘
  • 보통 CLI도 같이 사용할 수 있음 (UNIX나 LINUX는 CLI기반인데 GUI를 제공하는 편)
• Touchscreen
  • 모바일, 스마트폰, 직관적
  • virtual keyboard, voice command

System calls

• 다양한 application이나 시스템 프로그램이 공통으로 필요한 기능을 OS에서 미리 구현해 둠
• system call보다 좀 더 확장한게 API (Application Porgramming Interface)
  - 다양한 라이브러리나 미들웨어 기능을 쉽게 사용할 수 있도록 제공하는 API기능
  - OS를 포함해서 시스템 소프트웨어(미들웨어, 데이터베이스, 라이브러리 등)에서 application을 쉽게 작성할 수 있도록 함
  - 세가지 주 API는 Win32 API, POSIZ API(for unix, linux), Java API
  
  
• System call example (file copy) → 여러가지 System call로 이뤄짐
  • input 파일 이름 요청 (어떤 파일을 copy할건지)
  • 화면에 띄워서 사용자가 입력
  • output 파일 이름 요청
  • 화면에 띄워서 사용자가 입력
  • input 파일을 열기 (근데 그 파일이 없으면 err)
  • output 파일 생성 (기존에 그 파일이 있었으면 err)
  • input파일에서 한줄씩 읽고 output파일에 한줄씩 쓰기 → 읽을게 없을 때까지 반복
  • output 파일 닫기
  • 완료 메세지 화면에 띄우기
• Standard API example (file read)
  

System call Implementation

• index table로 system call 종류를 구별한다 (system call interface)
• system call 실행은 kernel이 알아야한다
  1. application main()에서 system call 함수 호출
  2. user mode에서 kernel mode로 trap (software interrupt)
  3. kernel은 system call interface를 통해 해당 system call의 index 파악
  4. kernel이 해당 system call이 있는 주소를 통해 system call 실행
  5. 완료 시 user에게 return

System call parameter passing

• 일반적인 function call은 stack을 통해 넘김
• 근데 user와 kernel mode는 각자 다른 stack을 가짐
• 그래서 parameter를 register를 통해 전달 (빠르게 전달 가능)
  • but 사이즈 한계가 있으므로, user와 kernel이 공유할 수 있는 공간에 parameter를 넣고, 해당 주소를 register로 전달할 수도 있음 (linux, solaris)
    

System call Types

• process control
  • 프로세스 생성, 종료, 로드, 실행
  • event(interrupt)
  • 메모리 할당
  • debugger
  • locking (여러 프로세스가 같은 리소스에 접근할 때 충돌이 발생하지 않도록)
• File management
  • 파일 생성, 제거, 읽고, 쓰고, 열고, 닫고..
  • 파일 속성 읽고 쓰기
• Device management
  • 디바이스 할당, 읽기, 쓰기
• Information maintenance
  • 시간, 날짜, 파일, 디바이스 등과 같은 시스템 정보
• Communications
  • communication port 생성, 제거, port를 통해 메세지를 받고 보내고
  • shared-memory model: 여러 프로세스가 한 메모리를 통해 데이터 공유
  • messeage passing mode: 프로세스 간에 실제로 데이터를 주고받으며 공유
• Protection
  • 리소스에 대한 권한
• EX: Arduino
  • OS범주에 속하지 않고, 단순히 센서로부터 데이터를 읽어들이고 컨트롤러를 제어하는 프로그램(Sketch)
  • single-task
• EX: FreeBSD
  • unix의 일종
  • multitasking가능 (multiprocessor)
  • 새로운 프로세스 생성
    • fork() 로 부모 프로세스를 복제하여 자식 프로세스 생성
    • 만약 자식 프로세스가 부모와 다른 일을 하고싶다면excute() 를 통해 실행
      

System services

• system call을 포함해서 더 많은 서비스를 제공
  • ex) 드래그하여 파일 copy → 여러 system call을 사용하여 용이한 서비스 제공
• 파일 관리
  • 생성, 제거, copy, rename 등
• 시스템에 대한 다양한 상태 모니터링 (status information)
  • date, time, memory, disk, user, file…
• 파일 수정
  • text editor와 같은 system software 사용
  • Application에서 system call로 직접 OS에 접근하여 수정할 수도 있지만
  • system software를 거쳐가며 더 편하게 수정 가능
• 다양한 컴퓨팅 언어로 소프트웨어를 제작, 컴파일, 로딩, 실행
• 다양한 communication 메카니즘, 통신 API를 제공 → 프로그래머가 쉽게 작성
• Background services
  • 메모리 관리, 인터넷 접속 처리, 로깅 모니터링
  • OS가 부팅될 때(초기화될 때) 만들어짐
  • services, subsystems, daemons
• Application Program을 작성, 컴파일, 로딩 등
  
  

Linkers and Loaders

• 소스코드를 컴파일하면 object file이 됨
• 기능별로 독립적인 object file들이 생성되고, linker가 object file들을 연결하여 excutable file을 만듦
• loader가 excutable file을 메모리에 올려 프로그램 실행
  • static loader: 정해진 자리에 로딩
  • Relocation loader: 로딩 위치가 매번 다름 (메모리의 빈 자리를 차지)
  • Dynamic link loader(dll): 프로그램의 모든 부분을 한번에 로드하는게 아니라, 해당 라이브러리 함수가 호출될 때 로드
• 전체적인 흐름

1. 소스코드 작성 main.c
2. 컴파일러에 의해 obj file로 만들어짐 main.o
3. linker가 obj file들을 연결해서 executable file 생성 main.exe
4. excutable file을 실행하면 loader가 메모리에 로드하면서 프로그램이 실행됨 (dynamically linked libraries)
   

Operating System Specific

• 운영체제마다 System call이 다름 (OS dependency)
• Virtual machine을 사용하여 보완
  • ex) VM을 포함하는 java는 다양한 OS에서 실행될 수 있음
  • 소프트웨어의 호환성을 위해
• Application Binary Interface (ABI)
  • obj레벨의 인터페이스
  • OS나 하드웨어에 상관없이 공통으로 호환

Operating System Design and Implementation

• 사용자 목표: OS가 편리해야함, 잘 안죽어야함, 안정적, 빠른 반응
• 시스템 목표: 사용자 목표 달성을 위해 공정하게, 여러 사용자에게 동시에 확장성있게 제공할 것인가
• 중요 원리
  - Policy: 무엇을 할건지 (정책)
  - Mechanism: 어떻게 할건지 (구체적 알고리즘)
  
  
• Implementation
  • 다양한 언어로 운영체제 작성
    • 초반에는 어셈블리어로 작성됐고, 요즘은 호환성을 위해 C나 C++로 작성됨
    • IO 디바이스의 low-level 컨트롤을 위해 일부가 어셈블리어로 작성되기도 함
    • high-level language로 작성하면 하드웨어에 port가 필요하고 느림
  • 하드웨어가 달라서 동작이 안될 때, Emulation으로 해당 하드웨어에 알맞게 application program을 변환해주는?

Operating System Structure

• 다양한 형태의 OS
  • MS-DOS: 초기, 간단
  • Unix: 단일 체제 OS, 성능은 좋지만 유연성이 떨어짐
  • layered architecture: 계층별 체제로 위의 단점 보완
  • Module 구조: 모듈별로 프로그램을 OS에 쉽게 붙일 수 있음 (OOP 개념)
  • Microkernel 구조: 커널을 작게, 유연성, 안정성

Monolithic Structure (단일운영체제구조)

• OS전체가 한 덩어리 (계층X, 모듈X)
• 속도가 빠르다
• 모든 OS기능이 physical hardware interface
• 하드웨어 리소스 관리
• 초기 unix, 약간의 계층구조를 가지지만 완벽하지않음
  • Hardware Abstraction Layer: 다양한 하드웨어를 일반화, OS는 하드웨어별로 고려할 필요X
  • OS 기능: CPU scheduling, 메모리 관리(페이지 단위로), demand paging, virtual memory

Linux System Structure

• unix type OS
• Monolithic + modular design → 유연성 향상
• kernel이 module로 구성

Layered Approach

• 얘도 Monolithic의 단점인 유연성 부족을 보완
• 위에 있는 레이어는 아래 레이어의 서비스(function call)를 받음
• 해당 레이어를 원하는대로 수정 가능

Microkernels

• OS의 최소한의 핵심 기능은 kernel에 남겨두고, 나머지는 user program처럼 동작(서버로)
  • 서버를 통해 작동하기 때문에 확장이 용이
  • 한 기능이 문제가 생겨도 영향을 받지 않는다 (원래 OS는 하나로 뭉쳐있으니까, 어디서 문제가 발생하면 전체가 고장남) → 신뢰성, 안정성
  • but, 서버를 통해 작동하기 때문에 느린 속도 (performance overhead)
• ex) Mach OS (Mac OS X kernel이 Mach을 기반으로 만듦)
  • 위 이미지에서 file system이랑 device driver가 kernel이 아닌 user mode로 갔지만 어쨌든 OS다!!!! 그냥 application program처럼 user mode에서 동작할 뿐

Modules

• 객체지향 방식으로 접근하여 OS를 모듈로 구성
• OS에 모듈을 추가하거나 제거하기가 쉬워 유연성 증가
• ex) Linux, Solaris

Hybrid Operating System

• 다양한 OS 구조를 채택 (각각 장단점이 확실함)
• 위에 나왔 듯, Linux와 Solaris는 Monolithic+modular
• Window는 주로 Monolithic인데 부분적으로 microkernel
• Max OS X는 다윈 운영체제(mack기반→ microkernel)+ Unix(monolithic) 같이 채택

macOS and IOS

• 아래는 Darwin OS

Android

• Linux kernel 기반
• 저전력, 저사양에 맞춰 power management 기능 추가
  

Building and Booting an Operating System

1. 운영체제 설계 구조에 따라 소스코드 작성
2. 운영체제 Configuration잡기 (메모리 크기, CPU종류, 디바이스 종류 등)
3. 소스코드 컴파일
4. 운영체제 설치
5. 운영체제를 메모리에 로딩 후 실행 → Booting

• ex) Linux
  1. Linux 소스코드 다운로드
  2. configuration 잡은 후 컴파일
  3. 컴파일할 때, kernel image를 생성 (application에서 excutable file 처럼)
  4. kernel에 다양한 모듈을 만들기
  5. 새로운 kernel을 시스템에 install
  
  

System Boot

• 부팅프로그램(bootstrap loader)은 컴퓨터를 꺼도 유지되도록 비휘발성인 ROM이나 EEPROM에 위치
• bootstrap loader가 운영체제를 올림
  - but, 운영체제가 크고 로딩이 복잡해서 ROM에 다 넣긴 무리
  - 그래서 보통 Bootstrap이 Boot block을 올리고, 하드디스크에 있는 boot block이 운영체제를 올림 → 2step으로 ROM 공간 절약 및 운영체제 종류 선택 부팅이 가능해서 유연성 증가
  
  

Operating System Debugging

• 어쨌든 OS도 소프트웨어이기 때문에 디버깅 필요
• OS의 다양한 configuration값을 조정하며 performance tuning
  • 작업관리자로 CPU상태, 메모리, disk 등의 하드웨어 리소스가 어떻게 사용되는지 파악 가능
• log file을 사용하여 trace (프로그램의 흐름 추적)
  • core dump: Application 에러 발생 시, 프로세스의 메모리를 캡쳐한 파일 생성
  • crash dump: OS 에러 발생 시, kernel 메모리를 포함한 파일 생성
• BCC (BPF Compiler Collection)
  • Linux의 trace toolkit
  • ex) disk 성능, 접근 시간, 읽기인지 쓰기인지, 크기, 접근 latancy time, 리소스 사용 이력 등 측정 가능
  • 다양한 OS 기능별로 전담 tracing 툴을 가짐