Operating System Overview

sanghoon·2021년 3월 22일

운영체제

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OS 수업 정리

Main objectives of an OS

Convenience
OS는 사용자로 하여금 컴퓨터를 편리하게 사용할 수 있게 한다.(복잡한 하드웨어에 대한 abstraction)
Efficiency
컴퓨터의 자원을 효율적인 방법으로 사용할 수 있게 관리한다.
Ability to evolve
현재의 주요 기능을 유지한 채 한층 더 높은 수준의 OS를 위해 발전한다.

Role of an OS

Mediator

개발자들에게 시스템을 사용하기 위한 편리한 인터페이스를 제공한다.

응용프로그램의 실행 제어와 인터페이스 기능을 제공한다.
프로그램 생성, 파일관리, 입출력 장치 제어를 돕는다.
프로그래머들이게 하드웨어에 대한 abstraction을 제공한다.

Resource manager

컴퓨터의 효율적인 사용을 위해 자원을 관리한다.

Evolution of OS

OS의 진화는 크게 네 가지의 단계를 거친다. 컴퓨터가 비쌌던 초기 단계에서부터 인건비가 중요해진 현대의 단계에 이르기까지 시기마다 문제점과 요구사항, 그에 따른 해결방안 이 달라진다. 이를 중심으로 OS가 어떻게 진화하였는지, 진화 과정에서 OS와 HW가 어떻게 상보적으로 발전하게 되었는지를 관찰하여 보겠다.

1. Serial Procesing(순차처리)

이 당시의 컴퓨터는 진공관과 plug board로 이뤄진 매우 크고 비싼 장치였다. Punch card(기계어와 fortran)와 tape을 이용해 명령을 컴퓨터에 전달하였으며, 간단한 빛 장치와 프린터가 출력장치의 전부였다.

OS
- OS가 존재하지 않음
  - OS의 역할을 사람이 수행.
  - Job to Job transition(scheduling time을 변경할 수 없다.)
- 사람이 프로그램을 돌리기 위해 손으로 직접 card를 적재
  - 소스코드는 어셈블리나 포트란+ 컴파일러 형태로 펀치카드에 기록됨
  - 소스코드를 번역하기 위한 컴파일러 존재
  - 모든 활동이 순차적으로 진행됨
- 개발자들이 하드웨어와 직접 교류
  - 다른 유저들을 위한 library를 만들기 시작함 -> os의 발단
  - compiler, linker, loader 등
문제점
- 비싼 컴퓨터자원을 효율적으로 사용할 수 없음
- 느린 Job to Job transition
  - Scheduling time
    프로그램마다 실행시간이 다름(idle time, over time) -> 컴퓨터가 시간을 효율적으로 쓸 수 없게 함
  - High setup time
    1. 프로그램마다 다른 컴파일러를 load/unload하는 데 들어가는 overhead
    2. sequencing이 수동으로 진행됨

2. Simple Batch System

목적
- 비슷한 프로그램을 묶어 compiler가 달라질 때마다 생기는 overhead를 최소화
- job sequencing의 자동화
Monitor
- 최초의 batch OS(동시에 최초의 OS이기도 함)
- 메모리에 상주하고 있으며 초기 통제 역할 수행(called resident monitor)
- 어떤 일을 수행해야 하는지 알려주는 card 존재
  - 원시적 형태의 Job control language(JCL)로 구성 : 명령어를 monitor로 보내기 위한 특수 언어. 어떤 컴파일러를 써야하는지 알려줌
Monitor에 대한 요구사항
- Memory protection for monitor : 프로그램이 실행될 때, 메모리 상에 있는 monitor 영역을 침범하지 말아야 함.
- System timer : 특정 job이 시스템을 독점하는 것을 방지해야 함.
- Privileged instructions : monitor에 의해서만 수행되는 특수 목적의 명령어. I/O 명령어 등이 있다.(따라서 특정 프로그램이 입출력을 수행하고 싶을 때는 반드시 monitor를 거쳐야 함.)
- I/O device controller(I/O device의 속도 향상을 위함)
  - 각 device는 자신만의 processor와 local buffer를 갖는다.
  - Intr를 발생시켜 CPU에게 자신의 일이 끝남을 알린다.
- Interrupts for overlapping CPU and asynchronous I/O
  - sync I/O : 입출력 연산이 발생하면, 해당 연산이 수행될 때까지 프로그램이 잠시 멈추고 있어야 함.(대부분의 read 연산) -> CPU 사용률이 여전히 낮다는 문제를 야기함
  - async I/O : 입출력 연산이 발생해도 해당 연산이 수행되는 것과 상관 없이 프로그램이 지속됨(대부분의 write 연산; 다음 코드에 대한 의존성이 낮은 연산)
Problems
- Card reader가 매우 느림 : automatic job sequencing 방식을 사용해도 여진히 I/O device들이 processor에 비해 매우 느림
- CPU가 종종 idle해짐(sync I/O 연산이 발생했을 때)

3. Multiprogrammed Batch System

목적
- CPU의 사용률을 높히기 위함
- CPU의 idle을 피하기 위해 다수의 프로그램들을 메인 메모리에 올림
Terms(Uni-programming and Multi-programming)
- Uni-programming : 어떤 프로그램에서 입출력 지시가 있으면 프로세서는 그 지시가 해결될 때까지 멈췄다가 이후 해당 프로그램을 재개하는 방식
- Multi-programming : 특정 프로그램에서 입출력 지시가 있어 wait이 발생할 경우, 프로세서가 다른 프로그램으로 전환하거나 동시에 일을 수행하는 방식. scheduling 알고리즘을 거쳐 다음에 수행될 작업이 결정된다.(Central theme of modern OS)
- degree : multiprogramming 되는 프로그램들의 수. 이것이 높아질수록 utilization도 높아지다가 특정 값 이상으로는 utilization의 증가가 멈춤.
- swap : 디스크에서 메모리로 Job을 올리거나 내리는 작업을 지칭하는 말.
특징
- Relocation : 같은 프로그램이 다시 메모리로 swap될 때 시작 위치가 달라진다. 이를 프로그래머들이 몰라도 cpu 사용률을 높히기 위해 계산해주는 과정 필요.
- Memory protection : process가 진행됨에 따른 메모리의 참조위치가 매번 확인되어야 한다.
  -> MMU(Memory management unit) 탄생 - logical address와 physical addressd에 대한 연산을 수행하는 adder와 comparator를 통해 relocation과 memory protection을 해결

등장 배경
- 집적회로(Integrateed circuit; IC)의 등장으로 CPU의 집적도가 올라감
- 사용자가 작동하고있는 job과 교류할 수 없음
- 컴퓨터는 점차 싸지고, 인건비는 점점 올라감
목적
- 사람들이 더 생산적으로 일할 수 있도록 도와줌
- 많은 interactive jobs를 다루는 데에 사용됨
- 다수의 사용자들이 processore time을 공유함
Interactive timesharing
- 모두에게 terminal을 부여함
- 다수의 유저가 같은 기기를 동시에 사용할 수 있도록 함
  - switch가 빈번히 일어남
  - 각각의 job에 대해 time sclice가 부여됨(preemption; 선점)
  - time sclice가 소멸하면 대기하고있던 바로 다음의 job이 CPU control 권한을 받으며, 이전의 job은 대기열의 맨 끝으로 배치됨.
- data들을 한 줄에서 관리함 : 구조화됨 file system을 사용함 -> privacy 보호가 필요해짐
- time slicing의 예시
  
  사진 윗줄 : non preemtion / 아랫줄 : preemtion ; 선점을 이용한 방식이 그렇지 않을 때보다 평균 응답 시간과 평균 처리 시간이 빠름
이 방식을 사용한 OS의 예시