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운영체제의 역할

CPU 스케줄링과 프로세스 관리

CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리

1. FIFO : 큐에 들어온 순서대로 실행시켜주는 것 => 굉장히 실행시간이 긴 프로세스가 앞에 있으면, 뒤에 있는 프로세스들의 turnaround time 이 길어진다는 문제 발생
2. SJF(Shortest Job First) : SJF방식은 스케줄러에 온 프로세스들을 보고, 가장 적게 걸릴만한 프로세스를 먼저 실행시켜주는 방법
   • 계속해서 실행시간이 짧은 프로세스들이 들어온다면 상대적으로 실행시간이 긴 프로세스는 starvation 발생
   • SJF 방식을 사용하려면 현재 큐에 있는 프로세스들의 CPU burst time을 알아야하는데, 이걸 미리 아는것은 어려우므로 SJF를 쓰기 곤란
3. SRTF(Shortest Remaining Time First) : 각 task의 남은 시간을 따져보고 가장 짧은 녀석에게 CPU를 할당
4. Priority Scheduling : priority에 따라서 실행순서를 정해주는 방식
   • Starvation 문제 : 자기보다 priority가 높은 task가 계속 들어오면 starvation이 발생. 해결방법으로는 Age를 사용해서 오래된 정도의 flag를 만드는 것과 priority를 임의로 조정하는 방식이 있다.
   • priority inversion 문제 : Low priority task가 공유자원을 사용하여 실행중일 때 공유자원을 사용하고 싶은 High priority task가 수행 못함 (공유자원 Lock). 이때 공유자원이 필요 없는 Mid priority task가 오면 Low priority task가 중단 되고 Mid priority task가 수행 됨. Mid가 다 수행되면 Low가 수행 되고, 최종적으로 가장 급했던 High priority task가 제일 마지막에 수행됨...
     => 해결방법 1) PIP (Prioirty Inheritance Protocol) : 같은 공유자원을 사용하려는 우선순위가 더 높은 프로세스가 접근한다면, 임시적으로 해당 프로세스의 우선순위로 바꿔버리는 방식
     => 해결방법 2) PCP (Priority Ceiling Protocol) : 공유자원을 사용하는 프로세스가 실행되어지면, 그 순간부터 우선순위를 매우 높여주는 방식

운영체제 구조

• 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
• 커널
  • 운영체제의 핵심 부분
  • 시스템콜 인터페이스를 제공
  • 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할 수행

GUI vs CUI

• GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
  명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 동작으로 컴퓨터와 상호작용을 함.
  • ex) 윈도우 창 같은거
• CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스.
  • ex) 리눅스 서버

시스템콜(Systemcall)

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스로, 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용

• 모드비트

  • 1 또는 0의 값을 가짐
  • 시스템 콜이 작동될 때 참고하는 값으로 유저 모드와 커널 모드를 구분
  • 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부초 침범하지 못하는 모드
  • 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

• 유저모드와 커널모드의 분리

  • 분리를 통해 컴퓨터 자원을 운영체제를 통해서만 작동하게 만들어 공격자가 컴퓨터 자원에 대한 사용자가 의도하지 않은 동작을 하도록 하는 것을 막기 위함.

유저 프로그램이 시스템콜을 통해 컴퓨터 자원 사용 요청을 처리하는 과정

1. 유저프로그램이 컴퓨터 자원 사용 요청으로 트랩(Trap) 발동
2. 올바른 요청인지 확인
3. 올바른 요청일 경우 시스템콜 호출
4. 시스템콜 호출에 따라 modebit가 1에서 0으로 변경됨.(유저모드 -> 커널모드)
5. 커널 모드에서 요청을 처리하는 로직 수행
6. 처리 완료 후 modebit가 0에서 1로 변경됨.(커널모드 -> 유저모드)
7. 요청 이후의 유저 프로그램 로직을 이어서 수행

인터럽트

• 시스템에서 발생한 다양한 종류의 이벤트 or 그런 이벤트를 알리는 메커니즘
• 인터럽트 신호가 들어오면 CPU를 잠깐 정지, 즉각적으로 인터럽트를 처리하기 위해 커널 코드를 커널 모드에서 실행
• 키보드/마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 처리 시간이 다 되었을 때의 인터럽트, 프로세스 오류로 인한 인터럽트 등 발생
  • 하드웨어 인터럽트: IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
  • 소프트웨어 인터럽트(트랩): 0으로 나누는 산술 연산, 잘못된 메모리 공간 접근 등 프로세스 오류로 발생하는 인터럽트
• 인터럽트와 트랩의 차이점
  • 인터럽트는 프로세서가 상응하는 인터럽트 핸들러 루틴을 실행시키도록 하기 위해 하드웨어 장치에서 발생
  • 트랩은 OS의 기능을 호출하기 위해 유저 프로그램에서 발생

컴퓨터의 요소

CPU (Central Processing Unit)

• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할을 하는 장치

  • 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있음.
  • 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만든 후 CPU가 이를 처리함.

• 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)

  • 두 숫자의 산술 연산(덧셈, 뺄셈 등)과 논리 연산(배타적 논리합, 논리곱 등)을 계산하는 디지털 회로

• 제어장치(CU, Control Unit) : 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품

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

• 레지스터(Register) : CPU 내부의 매우 빠른 임시기억장치

  • CPU와 직접 연결되어 연산 속도가 메모리보다 빠름(수십 배~수백 배)
  • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없어 레지스터를 거쳐 데이터를 전달

• CPU의 연산 처리

  • 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드 및 레지스터에 로드
  • 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산할 것을 산술논리연산장치에 명령
  • 제어장치가 계산된 값을 레지스터에서 메모리로 저장
    

DMA 컨트롤러

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

  • CPU에 너무 많은 인터럽트 요청이 몰리는 것으로 인한 CPU 부하를 막아줌.
    -> CPU의 일을 부담함.
  • 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지

• 타이머(Timer) : 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할

  • 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재

디바이스 컨트롤러(Device Controller)

컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU

메모리(Memory) - 중요

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치.

• 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 함.
  기억을 담당.
• 메모리가 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있음.

추신) AWS EC2 작업을 하다보면 예상치 못하게 RAM 용량이 낮아서 인스턴스가 멈추는 상황이 발생하곤 한다. 이럴땐 스왑파일을 사용하여 메모리를 동적으로 할당해주는 방법으로 해결할 수 있다. (우린 돈이 없으니까...)

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참고

https://velog.io/@oneul1213/CS-3%EC%A3%BC%EC%B0%A8-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C%EC%99%80-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0
https://zu-techlog.tistory.com/122