운영체제

사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스

⭐운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리
  • CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성 및 삭제, 자원의 할당 및 반환 관리
• 메모리 관리
  • 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 고
• 디스크 파일 관리
  • 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
• I/O 디바이스 관리
  • I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

운영체제의 구조

• 인터페이스 (GUI, CUI)
  • 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 형태.
  • 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 해준다.

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때, 시스템 콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

• 시스템 콜
  • 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
  • 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.

운영체제는 사용자 모드(User mode)와 커널 모드(Kernel mode)로 나뉘어 동작하고, 이를 이중 동작 모드라고 한다.
시스템을 보호하기 위해서 이렇게 구동된다.

유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침법하지 못하는 모드
커널 모드: 모든 컴퓨터 자우너에 접근할 수 있는 모드
커널 : 운영체제의 핵심이며 보안, 메모리, 프로세스 … I/O 요청 관리 등 중추적인 역할을 수행한다.

⭐컴퓨터의 요소

컴퓨터는 cpu, dma 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

⭐CPU

메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼.

• 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어있다.

제어장치

프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품

• 입출력장치 간 통신 제어
• 명령어를 읽고 해석
• 데이터 처리를 위한 순서 결정

레지스터

CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억장치

• CPU와 직접 연결되어 있기에 메모리보다 연산 속도가 매우 빠름

산술논리연산장치

산술, 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

⭐CPU의 연산 처리

CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다.
2. 산술논리연산장치에 계산하라고 명령한다.
3. 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장한다.

인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것

• 예시 - 키보드 및 마우스같은 IO 디바이스로 인한 경우, 0으로 숫자를 나눌 경우, 프로세스 오류 …
• 인터럽트가 발생되면
  • 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수 실행
  • 인터럽트간 우선순위에 따라 실행되며, 아래 두가지로 나뉜다.

하드웨어 인터럽트

IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트

• 인터럽트 라인이 설계된 이후 신터럽트 실행을 중지한다.
• 운영체제에 시스템 콜을 요청해서 해당 디바이스에 접근해 수행한다.

소프트웨어 인터럽트 (trap)

프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동

DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치

• CPU의 일을 분담하는 보조 일꾼
• CPU의 부하를 막아준다.
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치

• 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다.
• CPU : 일꾼
• 메모리 : 작업장 - 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

특정 프로그램에 시간 제한을 걸어버림

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU

• 옆에 있는 로컬 버퍼 : 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리