운영체제

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
-> CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
2. 메모리 관리
-> 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
3. 디스크 파일 관리
-> 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. I/O 디바이스 관리
-> I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

운영체제의 구조

시스템콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
• 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
• 시스템콜은 하나의 추상화 계층
  -> 이를 통해 네트워크 통신이라 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현 가능한 장점

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행
-> 유저모드에서 파일 읽기X , 커널모드로 들어가 파일 읽기O, 이를 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접적인 접근을 차단하고 다른 프로그램으로 부터 보호가 가능

잠깐) I/O 요청 & 드라이버
I/O요청: 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크 ,파일 접근 등에 관한 일
드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

커널

• 컴퓨터에 속한 자원들에 대한 접근을 중재하는 것
• 입출력을 관리하고 소프트웨어로부터의 요청(시스템콜)을 컴퓨터에 있는 하드웨어(CPU, 메모리, 저장장치, 모니터)가 처리할 수 있도록 요청(시스템콜)을 변환하는 역할
• 유저는 쉘을 이용하여 커널을 통해 하드웨어를 사용 가능

modebit

• 시스템 콜이 작동될때 modebit을 참고해서 유저모드와 커널모드 구분
• modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수
• 0은 커널모드, 1은 유저모드로 설정되어 유저모드일 경우 시스템콜을 못하게 막아서 한정된 일만 가능하게 한다.
  

컴퓨터의 요소

• 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

CPU(Computer Processing Unit)

• 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
• 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리
  

제어장치(CU, Control Unit)

• 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
• 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석
• 데이터 처리를 위한 순서를 결정

레지스터

• CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
• CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십배에서 수백배까지 빠르다
• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없으므로 레지스터를 거쳐 데이터를 전달

산술논리연산장치(ALU)

• 덧셈, 뺼셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합 같은 연산을 계산하는 디지털 회로

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드, 레지스터에도 로드
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로'계산한 값을 저장

인터럽트

• 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
• CPU가 특정 기능을 수행하는 도중에 급하게 다른 일을 처리하고자 할 때 사용할 수 있는 기능
• IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스의 오류 등으로 발생
• 인터럽트 발생 시 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행
• 인터럽트 간에는 우선순위 존재, 우선순위에 따라 실행
• 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉨

잠깐) 인터럽트 핸들러 함수

• 인터럽트가 발생했을 때 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()을 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록

하드웨어 인터럽트

• 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO디바이스에서 발생하는 인터럽트

소프트웨어 인터럽트

• 트랩이라고 하며, 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동

DMA 컨트롤러

• I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아준다
• CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼과 같은 역할
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지

메모리

• 전자회로에서 데이터 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
• RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라 한다
• CPU는 계산을 담당한다면 메모리는 기억을 담당

타이머

• 몇초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
• 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU