🎛️ 운영체제와 컴퓨터
운영체제(OS, Operating System)
사용자가 컴퓨터를 쉽게 다룰 수 있게 해주는 인터페이스로, 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 역할을 함.
🛠️ 운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지 관리
- 프로세스의 생성과 삭제 관리
- 자원 할당 및 반환 관리
- 메모리 관리
- 한정된 메모리를 어떠한 방법으로 얼만큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리
- 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
- I/O 디바이스 관리
- 마우스, 키보드 등 I/O 디바이스와 컴퓨터 간 데이터를 주고받는 것 관리
운영체제의 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.
- CUI
- 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스.
-> 리눅스 서버는 GUI가 없고 CUI만 있음.
시스템콜(Systemcall)
운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스로, 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
장점
- 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음.
- 하나의 추상화 계층으로서 네트워크 통신, 데이터베이스 등의 낮은 단계 영역 처리에 대한 부분을 크게 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있음.
프로세스, 스레드와 시스템콜, 커널, OS 사이의 관계
- 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜과 커널을 거쳐 운영체제에 전달
modebit
- 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수
- 시스템콜이 작동될 때 참고하는 값
- 유저모드와 커널모드를 구분하는 기준
- 0은 커널모드, 1은 유저모드
-> 유저모드일 경우 시스템콜을 못하게 막음
- 유저모드
- 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
- 커널모드
- 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
유저모드와 커널모드의 분리
유저모드와 커널모드를 분리함으로써 컴퓨터 자원을 운영체제를 통해서만 작동하게 만들어 공격자가 컴퓨터 자원에 대한 사용자가 의도하지 않은 동작을 하도록 하는 것을 막기 쉽게 함.
유저 프로그램이 시스템콜을 통해 컴퓨터 자원 사용 요청을 처리하는 과정
- 유저프로그램이 컴퓨터 자원 사용 요청으로 트랩(Trap) 발동
- 올바른 요청인지 확인
- 올바른 요청일 경우 시스템콜 호출
- 시스템콜 호출에 따라 modebit가 1에서 0으로 변경됨.(유저모드 -> 커널모드)
- 커널 모드에서 요청을 처리하는 로직 수행
- 처리 완료 후 modebit가 0에서 1로 변경됨.(커널모드 -> 유저모드)
- 요청 이후의 유저 프로그램 로직을 이어서 수행
인터럽트(Interrupt)와 트랩(Trap)
인터럽트
어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 인터럽트 발생시 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨.
- 인터럽트 벡터에는 인터럽트 핸들러 함수가 모여있음.
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행됨.
- 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉨
인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수.
- 커널 내부의 IRQ를 통해 호출됨.
- request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음.
하드웨어 인터럽트
I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트
예)
- I/O 디바이스(키보드, 마우스)로 인한 인터럽트
- 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트
소프트웨어 인터럽트(트랩)
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동
예)
- 프로세스 오류로 인한 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
전체 구조
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)
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.
참고
