운영체제의 주요 서비스는 하드웨어 자원을 각 사용자 애플리케이션에 적절히 분배해주는 것이다. 하드웨어 자원은 CPU, 메인 메모리, 하드디스크, 키보드, 마우스, 프린터 등이 존재한다. 이러한 하드웨어 자원을 사용자 애플리케이션이 요구하거나 운영체제 내의 규칙에 의해 적절히 분배하여 컴퓨터의 성능을 최대한 효율적으로 사용해야 한다.
이를 실현하기 위해 운영체제 내에서는 각 하드웨어를 관리하는 기능을 다음과 같이 나눈다.
- 프로세스 관리, 주기억장치 관리
- 파일 관리, 보조기억장치 관리, 입출력 장치 관리
- 네트워킹, 보호
- 기타...
1. 프로세스 관리(Process management)
프로세스 관리는 운영체제 기능 중 가장 중요한 기능 중 하나이다. 프로세스와 프로그램은 기본적으로 구분된다. 프로세스는 실제 메인 메모리에서 실행 중인 프로그램(program in execution)을 말한다. 프로그램은 하드디스크와 같은 보조기억장치에서 아무런 동작을 하지 않는 상태이다. 이를 어떠한 요청에 의해 메인 메모리에 할당하여 CPU를 사용하면서 실행하게 되는데 이를 프로세스라 부른다.
프로세스 관리의 주요 기능은 다음과 같다.
- 프로세스의 생성과 소멸(creation, deletion)
- 프로세스 활동 일시 중지, 활동 재게(suspend, resume)
- 프로세스간 통신(interprocess communication: IPC)
- 프로세스간 동기화(synchronization)
- 교착상태 처리(deadlock handling)
2. 주기억장치 관리(Main memory management)
주기억장치 즉, 메인 메모리는 프로그램이 실행되기 위한 공간이다. CPU는 오직 메인 메모리에 있는 프로그램(프로세스)하고만 소통할 수 있다. 주기억장치 관리에서는 메인 메모리를 효율적으로 사용하도록 관리한다.
- 프로세스에게 메모리 공간 할당(allocation)
- 메모리의 어느 부분이 어느 프로세스에게 할당되었는가 추적 및 감시
- 프로세스 종료 시 메모리 회수(deallocation)
- 메모리의 효과적 사용
- 가상 메모리: 물리적 실제 메모리보다 큰 용량을 사용할 수 있다.
한정된 메모리를 어떻게 쪼개어 쓸까?
- 물리-가상 메모리 매핑
- 페이징
3. 파일 관리(File management)
디스크는 물리적으로 Track과 sector로 구성되어 있으며, 여기서 파일이라는 논리적 관점으로 데이터를 바라보고 관리하는 것이다.
파일은 OS가 실행되는 컴퓨터에서 자주 볼 수 있는데, 이는 복잡한 과정으로 하드디스크에 저장되어 있는 것을 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 파일이라는 논리적 형태로 운영체제에서 관리하여 보여준다.
- 파일의 생성과 삭제(file creation, deletion)
- 디렉토리(Directory)의 생성과 삭제
- 기본 동작 지원: open, close, read, write, create, delete
- Track/sector - file 간의 매핑(mapping)
- 백업(Backup)
4. 보조기억장치 관리(Secondary storage management)
보조기억장치는 대표적으로 하드 디스크, 플래시 메모리(주로 스마트폰에 사용)가 있다. 하드 디스크를 예로 들면, 하드 디스크에서 아무 것도 저장되어 있지 않는 공간을 block이라 하는데, 보조기억장치 관리는 이를 관리하는 것이다.
- 빈 공간 관리(Free space management)
- 저장공간 할당(Storage allocation)
- 디스크 스케줄링(Disk scheduling)
디스크에 들어온 요청을 어떤 순서로 처리할까?
엘리베이터 알고리즘
엘리베이터에서 층을 누른 순서대로 이동하면 1층갔다가 99층 갔다 50층갔다가 99층을 가면 비효율적이다. => 1층에서 99층을 가면서 50층에 있는 사람을 태우고 99층을 간다. 즉, 최소한의 움직임으로 최대한 효율적인 방법을 택한다.
5. 입출력 장치 관리(I/O device management)
입출력 장치에는 키보드, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등이 있다. 입출력 장치 관리는 이와 같은 여러 입출력 장치를 사용하기 위해 존재한다.
- 장치 드라이브(Device drivers)
- 입출력 장치의 성능향상: buffering, caching, spooling
빠른 CPU와 느린 I/O 장시간 속도차를 어떻게 극복할까?
6. 시스템 콜(System call)
사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
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의도적으로 인터럽트를 발생 시켜서 CPU 제어권을 OS를 통해 사용자 프로그램으로 넘긴다. (Mode Bit를 0으로 변경)
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사용자 프로그램은 CPU에 직접 접근이 불가능하다. 그래서 OS에게 필요한 서비스를 요청한다. (Mode Bit를 0으로 변경)
위는 process 1에서 프로세스 관리에 시스템 콜을 요청한 모습이다. 프로세스가 실행하는 중간에 운영체제 서비스가 필요하면 시스템 콜을 통해 운영체제 안의 해당 코드로 점프할 수 있다.
6.1 주요 시스템 콜
- Process: end(정상 종료), abort(강제 종료), load, execute, create, terminate, get/set, attributes, wait event, signal event
- Memory: allocate, free
- File: create, delete, open, close, read, write, get/set attributes
- Device: request, release, read, write, get/set attributes, attach/detach devices
- information: get/set time, get/set system data
Communication: socket, send, receive
