1. 운영체제와 컴퓨터
운영체제(OS, Operation System)
- 하드웨어와 소프트웨어를 관리하는 일종의 일꾼
- 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
- 컴퓨터 : 운영체제와 CPU, 메모리 등으로 이루어진 장치
1-1. 운영체제의 역할과 구조
1-1-1. 운영체제의 역할
운영체제의 역할을 크게 네 가지로 나뉘어 진다.
| 종류 | 설명 |
|---|---|
| CPU 스케줄링과 프로세스 관리 | CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리 |
| 메모리 관리 | 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야하는지 관리 |
| 디스크 파일 관리 | 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리 |
| I/O 디바이스 관리 | I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 칸에 데이터를 주고받는것을 관리 |
1-1-2. 운영체제의 구조
- 그림과 같이 소프트웨어(유저 프로그램)가 맨 위에 있으며, GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에는 하드웨어가 있는 구조로 이루어져 있다.
- 운영체제는 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버를 포함해서 이루어져 있으며 GUI가 없는 서버(Ex. Linux)도 있다.
📖 용어 정리
GUI는단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 도와주는 사용자 인터페이스의 한 형태
CUI는 앞서 말한 GUI와 반대로 그래픽이 아닌 명령어로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 도와주는 인터페이스
쉘(Shell)은 사용자가 운영체제에 명령어를 입력하는 인터페이스이고, 사용자로부터 명령어를 입력받아 이를 시스템 콜을 통해 커널에 전달하는 역할을 한다.
커널(Kernel)은 하드웨어와 응용 프로그램 간의 상호작용을 관리하며 사용자가 직접 접근할 수 없습니다.
드라이버는 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
1-1-2-1 시스템콜이란?
'운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스'를 의미하며, SW(유저 프로그램)가 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용하는 인터페이스이다.
-
프로세스(Process)나 스레드(Thread)에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 '시스템 콜'이라는 인터페이스와 커널을 거쳐서 운영체제에 전달하게 된다.
-
시스템 콜은 하나의 추상화된 계층이기 떄문에, 네트워크 통신이나 데이터베이스에서의 처리에 대한 부분을 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
정리❗
SW(유저 프로그램)는 I/O 요청 처리하기 위해서 운영체제의 서비스를 받아야 하며 이러한 서비스는 커널을 통해서만 받을수 있다. 그렇기에 시스템 콜을 통해 커널에게 부탁하고 커널이 운영체제에게 전달하여 서비스를 처리한다.
➡️ 유저 모드와 커널 모드를 변환하면서 요청들을 처리하는데, 모드를 변환하기 위해서 modebit이라는 플래그 변수(flag bit)를 사용한다.
시스템 콜을 호출하고 modebit을 통해서 모드를 바꾸면서 관련된 로직을 수행한다.
1-2. 컴퓨터의 요소
컴퓨터(Computer) = CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어진 장치
컴퓨터는 크게 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있으며, 각 요소들이 무엇을 의미하는지, 어떠한 역할을 하는지에 대해 차근히 알아보도록 하자!
1-2-1. CPU
CPU(Central Processing Unit) = 산술논리연산장치(ALU), 제어장치(CU), 레지스터(R)로 이루어진 컴퓨터 장치
- 인터럽트(Interrupt)에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석하여 수행하는 장치(일꾼)을 의미한다.
- 관리자의 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리(RAM)에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 처리한다.
📢 인터럽트(Interrupt) : 프로세서가 실행 중인 작업을 잠시 멈추고, 즉각 처리해야 할 중요한 이벤트가 발생했을 때 이를 처리하기 위해 호출되는 신호
산술논리연산장치(ALU)
산술논리연산장치(Arithmetic Logic Unit)는 산술 연산과 논리 연산을 계산하는 디지털 회로로서의 CPU의 한 부품
- 산술 연산은 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 연산을 의미하며, 논리 연산은 배타적 논리합(XOR), 배타적 논리곱(XAND)와 같은 연산을 의미한다.
제어장치(CU)
제어장치(Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
- 입출력(I/O) 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
레지스터(R)
레지스터(Register)는 CPU안에 있는 임시기억장치의 역할을 하는 CPU의 한 부품
- CPU와 직접 연결 되어있기 때문에 연산 속도가 메모리보다 수십~수백 배까지 빠른 장점이 있다.
- 레지스터를 거쳐서 CPU에 데이터가 전달된다.
- 레지스터의 종류도 굉장히 여러가지
(범용 레지스터, 인덱스 레지스터, PC 등등..)이지만 해당 내용들을 다루기에는 너무 깊어지므로 여기까지만 말하고 넘어가겠다.
CPU의 연산 처리 과정
잠깐!!!🙉
앞서 인터럽트(Interrupt)에 대해 짧게 말하고 넘어갔는데 중요한 내용이기 때문에 조금 더 알아보고 넘어가보도록 하자!!
인터럽트(Interrupt)
프로세서가 실행 중인 작업을 잠시 멈추고, 즉각 처리해야 할 중요한 이벤트가 발생했을 때 이를 처리하기 위해 호출되는 신호
- 간단히 말하면 어떤 신호가 들어왔을 떄 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 의마한다.
- 인터럽트의 종류에는 IO 디바이스로 인한 인터럽트와 0으로 숫자를 나누는 산술연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 일어나는 인터럽트가 있다.
인터럽트가 발생하면 CPU는 현재 작업을 중단하고 인터럽트 핸들러 함수(Interrupt Service Routine, ISR)를 실행해야 하며 이를 위해 인터럽트 벡터(Interrupt Vector)를 참조해서 실행하게 된다.
이러한 인터럽트는 크게 두 가지의 종류로 나뉘어 지는데, 하드웨어 인터럽트(Hardware Interrupt)와 소프트웨어 인터럽트(Software Interrupt) 두 가지로 나뉘어진다. 그럼 인터럽트의 종류에 대해 알아보자
하드웨어 인터럽트(Hardware Interrupt)
키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트
인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.
소프트웨어 인터럽트(Software Interrupt)
트랩(trap)이라고도 불리며, 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동하는 인터럽트
1-2-2. DMA 컨트롤러(DMA Controller)
DMA 컨트롤러는 CPU의 개입 없이 메모리와 주변 장치(하드 디스크, 네트워크 카드 등) 간에 데이터를 직접 전송할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼의 역할을 수행한다.
- 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
- 대용량 데이터 전송 시 CPU의 부하를 줄이고 시스템 효율을 높이기 위해 사용된다.
1-2-3. 메모리(Memory)
메모리(Memory)는 컴퓨터 시스템에서 데이터를 저장하고 이를 처리하기 위한 공간으로, 프로그램의 명령어, 데이터, 그리고 작업의 중간 결과를 저장하는 기억 장치
- 일반적으로 메모리라 하면 RAM(Random Access Memory)을 가리키며, 이 메모리는 데이터를 임시적으로 저장하는 역할을 한다.
- RAM은 전원이 꺼지면 저장된 데이터가 사라지기 때문에 휘발성 메모리라고도 한다.
- 메모리는 CPU가 명령어를 처리하고 계산할 때 필요한 데이터를 빠르게 저장하고 꺼내 쓰는 역할을 하며 CPU가 계산을 담당한다면, 메모리는 그 계산을 위한 데이터를 기억하는 역할을 수행한다.
1-2-4. 타이머(Timer)
타이머(Timer)는 컴퓨터 시스템에서 일정한 시간 간격을 측정하거나 특정 시간에 맞춰 작업을 수행할 수 있도록 해주는 하드웨어 장치
- 주로 시간 기반의 작업을 관리하고, 프로세스가 일정 시간 내에 작업을 끝내지 못하면 인터럽트를 발생시켜 시스템이 적절한 조치를 취하도록 돕는다.
1-2-5. 디바이스 컨트롤러(Divice Controller)
디바이스 컨트롤러(Divcie Controller)는 입출력 장치와 컴퓨터 시스템 간의 데이터를 관리하고 제어하는 하드웨어 장치
- 로컬 버퍼를 사용하여 데이터를 임시 저장하고, CPU와의 통신을 통해 입출력 작업을 수행한다.
- 입출력 작업이 완료되면 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알린다.
이렇게 운영체제의 역할과 구조에 대해 전반적으로 살펴보았다!
앞서 컴퓨터의 구성 요소들에 알아보았는데 다음으로 메모리에 대해 조금 더 깊숙히 알아보는 시간을 가지도록 하겠다!
