이번 블로깅에선 운영체제와 컴퓨터 를 한번 넓고 얕게 배워보자.

운영체제의 역할과 구조

1. 운영체제의 역할

운영체제의 역할은 크게 네 가지가 있다.
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
-> CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제 , 자원 할당 및 반환을 관리한다.
2. 메모리 관리
-> 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리한다.
3. 디스크 파일 관리
-> 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
4. I/O 디바이스 관리
-> I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리한다.

2. 운영체제의 구조

위의 형태가 운영체제의 형태이다.
1. GUI / CUI

• GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 역할
• CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

2. 시스템콜 시스템콜이란, 운영체제가 커널에 접근하기 위한 사용자 인터페이스이다. 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할때 쓴다.

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 요청인지 확인 후에 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

I/O 요청을 진행시 유저모드에서 파일을 읽지 않고 커널모드로 들어가서 파일을 읽고 다시 유저모드로 온다.
이 과정을 통해 직접적인 접근 차단과 더불어 프로그램을 보호할 수 있게 된다.

아래 그림처럼 프로세스에서 시스템콜을 지나고, 커널을 지나서 운영체제에 접근한다.
추가적으로 시스템콜은 추상화 계층이다. 이 때문에 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계에 영역 처리에 대한 프로그램 영역에 대한 처리를 많이 신경쓰지 않고 개발이 가능하다.

modebit

시스템콜이 작동될때 modebit 을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 된다. 만약 카메라가 있는데, 카메라를 켜는 프로그램이 있다고 가정해보자.유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데도 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 당할 수 있다.

만약, 운영체제를 통해 작동한다고 하면 이를 막기가 쉬워진다. 이를 위한 장치가 modebit 이다. 커널모드는 0, 유저모드는 1로 설정된다.

카메라를 이용하려고 할 때, 시스템콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널모드로 바꾼 뒤에 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다.
그 이후에 0에서 1로 바꿔서 유저 모드로 변강한 후 로직을 수행한다.

1. 유저모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며, 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
2. 커널모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA, 컨트롤러, 메모리, 타이머, 다바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.
이에 대해 각각 한번 살펴보자.

CPU

CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말한다.
인터렙트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼의 역할을 한다.

관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스를 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.

1. 제어장치

제어장치 (CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해색하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

2. 레지스터

레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다. CPU와 직접연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 떄문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

3. 산술논리연산장치

산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

CPU의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한 레지스터에도 로드한다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
3. 이를 통해 계산된 값을 제어장치가 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다.

인터럽트

이는 어떤 신호가 들어왔을 때, CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다. 예를 들어, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트 등, 프로세스 오류일때 정지시키는 것을 말한다.

이것이 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽는 하드웨어와 소프트웨어 두가지로 나뉜다.

1. 하드웨어 인터럽트
   하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.

2. 소프트웨어 인터럽트
   이는 트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

DMA 컨트롤러

이는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 말한다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때무에 CPU의 부하를 막기 위한 보조 일꾼이라고 생각하면 좋다.

메모리

이는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.

타이머

타이머는 몇 초 안에 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러

이는 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하고 있는 작은 메모리를 뜻한ㄷ.

마무리

이번 블로깅에선 운영체제와 컴퓨터에 대해 알아보았다. 이 블로깅의 목적은 깊게 배우는 것이 아니라 개발자 대회에 낄 정도의 넒고 얕은 지식을 목표로 하고 있다. 이 블로깅을 통해서 전체적인 운영체제와 컴퓨터 흐름 에 대해 잡았으면 좋겠다. 그리고 감을 잡았고 좀 더 깊게 배우고 싶다면 이 블로깅의 키워드를 길로 잡아서 하나씩 공부해 나간다면 매우 도움이 될 것이라고 생각한다.