- 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
- 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배
- 하드웨어, 소프트웨어를 관리
cf. 펌웨어
- 운영체제와 유사
- sw를 추가로 설치 불가
- 운영체제와 컴퓨터
- 메모리
- 프로세스와 스레드
- CPU 스케줄링 알고리즘
1. 운영체제와 컴퓨터
컴퓨터의 구성
- 운영체제
- CPU
- 메모리
1. 운영체제의 역할과 구조
역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지
- 프로세스의 생성, 삭제, 자원 할당 및 반환 관리
- 메모리 관리
- 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리
- 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리
- I/O 디바이스 관리
- I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리
구조
운영체제 : GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버
-
유저 프로그램
-
GUI
: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
: 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용 가능 -
시스템콜
: 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
: 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다
: 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후
유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다
cf. 유저 프로그램 ->I/O 요청 -> 트랩 발동 -> [유저모드 -> 시스템콜 -> 커널 모드]
ex. fs.readFile() : I/O요청, 파일 시스템의 파일을 읽는 함수 발동
유저모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 유저모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행.
=> 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다
: 추상화 계층
: 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다
I/O 요청
: 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
드라이버
: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
modebit
- 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수
- 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저모드, 커널모드 구분
- 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동
- 카메라를 켜는 프로그래밍 있다
- 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 하기 쉽다
- 커널모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다 해도 100% 막을 수는 없지만 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다
0 : 커널모드 - 모든 컴퓨터 자원에 접근하 ㄹ수 있는 모드
1 : 유저모드 - 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범 못하는
앞의 그림처럼 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널 모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다. 그 이후 modebit을 0에서 1로 바꿔서 유저 모드로 변경하고 이후 로직을 수행한다.
-
커널
: 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스 제공. 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다 -
드라이버
: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어 -
하드웨어
cf. CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
2. 컴퓨터의 요소
: CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등
CPU
- 구성 : 산술논리 연산장치, 제어장치, 레지스터
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
- 운영체제의 커널이: -프로그램을-> 메모리에 올려 프로세스로 만들면
일꾼인 CPU가: 이를 처리한다
(커널 - 프로그램을 메모리에 올린다 (프로세스) - CPU가 처리)
1. 제어장치
- 프로세스 조작을 지시
- 입출력 장치 간 통신 제어
- 명령어 읽고 해석
- 데이터 처리를 위한 순서 결정
2. 레지스터
- 매우 빠른 임시기억장치
- CPU와 직접 연결
- 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배
- 외부에 데이터를 전달하기 위해 저장하는 곳
3. 산술논리연산장치
- +,- 등 논리 연산 계산하는 디지털 회로
CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 방법
- 제어장치가 (1)메모리와 (2)레지스터에 계산할 값 로드
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
- 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터 -> 메모리로' 계산한 값 저장
인터럽트
- 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
ex. 인터럽트 원인 : IO 디바이스, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산, 프로세스 오류 - 인터럽트가 발생하면 : 인터럽트 벡터(인터럽트 핸들러 함수들이 있는 곳)로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행
- 순서 : 인터럽트 간에 정해진 우선 순위대로 실행
- 종류 : 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트
cf. 인터럽트 핸들러 함수
- 역할 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수.
- 호출 : 커널 내부의 IRQ를 통해 호출.
- 등록 : request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.
- 위치 : 인터럽트 백터
1. 하드웨어 인터럽트
IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
ex. 키보드, 마우스
인터럽트 라인이 설계된 이후 - 순차적인 인터럽트 실행 중지 - 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 - 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근해 - 일을 수행
라인 설계 - 실행 중지 - 시스템콜 요청 - 디바이스의 로컬 버퍼 접근 - 일을 수행
2. 소프트웨어 인터럽트
- 트랩
- 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동
DMA 컨트롤러
- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU에 들어오는 많은 인터럽트 요청을 부담하는 보조 일꾼(CPU 부하 방지)
- 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지
메모리
- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
- RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다
- CPU는 계산 담당, 메모리는 기억 담당
- 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다
타이머
- 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정한다
- 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
디바이스 컨트롤러
- 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
