1. 운영체제(Operating System)

운영체제는 컴퓨터 자원을 효율적으로 관리하고 사용자가 편리하게 컴퓨터를 활용할 수 있는 환경을 제공하는 시스템 소프트웨어입니다.

1.1 운영체제의 주요 목적 및 기능

• 사용의 용이성
  하드웨어와 정보를 효율적으로 관리하여 컴퓨터를 편리하게 사용하도록 지원

• 시스템 성능 향상

  • 처리 능력 (Throughput): 일정 시간 동안 처리하는 작업량
  • 응답 시간 (Turnaround Time): 작업 완료까지 걸리는 시간
  • 가용성 (Availability): 시스템 자원의 신속한 제공 여부
  • 신뢰도 (Reliability): 시스템의 정확한 동작 정도

• 주요 기능

  • 자원 관리: 메모리, 프로세스, 주변 장치, 파일(데이터) 관리
  • 시스템 관리: 시스템 보호, 네트워킹, 명령 인터프리터 제공

• 역할

  • 사용자 인터페이스 제공
  • 주변 장치 관리
  • 자원 분배 및 효율적 관리
  • 신뢰성 향상 및 오류 처리

• 역할이 아닌 것

  • 원시 프로그램 기계어 번역(컴파일러)
  • 목적 프로그램 생성 및 연결(링커)
  • 데이터 압축 및 복원(유틸리티)

1.2 운영체제 구성 요소

• 커널 (Kernel)
  운영체제의 중심부로 하드웨어를 직접 관리하고 제어
• 시스템 호출 (System Call)
  사용자 프로그램이 운영체제(커널) 권한이 필요한 작업을 요청하는 방법

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2. 운영체제 연산: 커널과 시스템 호출

운영체제는 인터럽트 기반(interrupt driven)으로 동작하며, 주로 사용자 모드(User Mode)와 커널 모드(Kernel Mode)로 구분하여 실행됩니다.

2.1 트랩과 시스템 호출

• 트랩 (Trap)
  오류 발생 시 또는 운영체제 서비스 요청 시 발생하는 소프트웨어 인터럽트
• 시스템 호출 (System Call)
  사용자 프로그램이 운영체제에 특정 작업을 요청하는 방법 (트랩 통해 실행)

2.2 사용자 모드와 커널 모드

구분	사용자 모드 (User Mode)	커널 모드 (Kernel Mode)
실행 환경	일반 응용 프로그램 실행 환경	운영체제 핵심 기능 실행 환경
접근 권한	하드웨어 직접 접근 불가	하드웨어 직접 접근 가능
명령어 실행	제한된 명령어만 실행 가능	모든 명령어 실행 가능
역할	시스템 호출을 통해 운영체제 서비스 요청	프로세스, 메모리 관리, 장치 제어 수행

• 시스템은 보통 커널 모드에서 부팅되고, 응용 프로그램 실행 시 사용자 모드로 전환
• 입출력 등 권한이 필요한 작업 시 시스템 호출로 커널 모드 전환하여 보안과 안정성 확보

2.3 커널과 쉘

• 커널
  운영체제 핵심 부분, 하드웨어 직접 관리, 프로세스/메모리/파일 시스템/입출력 장치 관리
• 쉘 (Shell)
  사용자와 운영체제(커널) 사이 인터페이스 역할, 명령어 해석 및 실행, 결과 전달

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3. 운영체제 구조

• 간단한 구조 (Simple Structure)
  초기 시스템에 사용 (MS-DOS, 초기 UNIX)
• 계층적 접근 (Layered Approach)
  운영체제를 계층별로 모듈화 (THE 운영체제, OS/2)
• 마이크로커널 (Microkernel)
  핵심 기능만 커널에 두고 나머지는 사용자 공간에서 수행 (Mach 운영체제)
• 모놀리식 커널 (Monolithic Kernel)
  모든 핵심 기능을 커널 내부에 포함 (Linux, UNIX)

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4. 운영체제 발달 과정

운영 방식	특징
일괄처리(배치 시스템)	데이터 모아 한꺼번에 처리, CPU 유휴 시간 발생
다중 프로그래밍 시스템	하나의 CPU가 여러 프로그램 동시에 실행, CPU 활용도 향상
시분할 시스템	여러 사용자가 동시에 프로그램 실행, CPU 시간 분할
다중 처리 시스템	여러 CPU가 병렬 처리, CPU 간 부하 분산 중요
실시간 처리 시스템	즉각적 데이터 처리, 응답 시간 매우 짧음
다중 모드 처리 시스템	여러 처리 방식을 조합하여 유연성 향상
분산 처리 시스템	여러 컴퓨터가 네트워크로 작업 공유 및 협력

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프로세스(Process)

1. 프로세스 개요

• 프로세스 정의
  현재 실행 중이거나 곧 실행 가능한 PCB(프로세스 제어 블록)를 가진 프로그램
• 특징
  실행 중인 프로그램, 비동기적 활동, 살아 있는 프로그램, PCB 보유

1.1 프로그램과 프로세스 차이

구분	프로그램 (Program)	프로세스 (Process)
정의	디스크에 저장된 수동적 실체	실행 흐름을 가진 능동적 실체
특성	정적인 파일	동적 실행 상태, 프로그램 카운터 및 PCB 포함

1.2 프로세스의 메모리 구조

• 코드(Code) 영역: 실행 가능한 프로그램 코드
• 데이터(Data) 영역: 전역 변수, 정적 변수
• 힙(Heap) 영역: 동적 메모리 할당 영역 (malloc 등)
• 스택(Stack) 영역: 지역 변수, 함수 호출 인자, 복귀 주소

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2. 프로세스 제어 블록(PCB)

• 프로세스 관리 위한 자료구조

2.1 PCB 주요 정보

• 프로세스 상태 (대기, 실행, 준비 등)
• 프로세스 ID
• 프로그램 카운터(PC)
• 레지스터 정보
• 메모리 관리 정보
• 계정 정보 (CPU 사용 시간 등)
• 입출력 정보

2.2 PCB 역할

• 프로세스 상태 저장
• 문맥 교환 시 프로세스 정보 복원

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3. 프로세스 상태와 상태 전이

3.1 프로세스 상태

• 생성 상태 (Created)
• 준비 상태 (Ready)
• 실행 상태 (Running)
• 대기 상태 (Waiting/Blocked)
• 지연 준비 상태 (Suspended Ready)
• 지연 대기 상태 (Suspended Waiting)

3.2 상태 전이

이벤트	상태 전이
디스패치	준비 상태 → 실행 상태 (CPU 할당)
할당 시간 초과	실행 상태 → 준비 상태
블록	실행 상태 → 대기 상태
웨이크업	대기 상태 → 준비 상태

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4. 프로세스와 스레드

4.1 프로세스와 스레드 비교

구분	프로세스 (Process)	스레드 (Thread)
정의	독립적 메모리 공간 가진 실행 중 프로그램	프로세스 내 최소 실행 단위
메모리	독립적 메모리 공간	메모리와 자원 공유
관리	운영체제에 의해 관리	프로세스 내에서 다중 작업 수행 가능
포함 관계	여러 스레드 포함 가능	하나 프로세스 내 여러 스레드 가능

4.2 싱글 스레드와 멀티 스레드

• 싱글 스레드: 순차 처리, 구현 간단
• 멀티 스레드: 병렬 처리, 응답성 향상, 동기화 문제 가능

4.3 커널 스레드와 사용자 스레드

구분	커널 스레드 (Kernel Thread)	사용자 스레드 (User Thread)
관리	운영체제 커널이 직접 관리	사용자 공간에서 관리
생성 및 관리	시스템 호출 필요	커널 개입 없이 생성 및 관리 가능
특징	안정성 높음, 전환 비용 발생	빠르고 효율적, 하나 블록 시 전체 영향

느낀점

중간고사때 했던건데 다시할려니까 어렵네요 역시 공부는 끝이 없당
마크다운으로 테이블 첨 만들어보는데 생각보다 어렵네요.