운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스입니다.
운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어(firmware)라고 합니다.
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
- 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리
- I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리
운영체제의 구조
유저 프로그램이 맨 위에 있고 그 다음으로 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조입니다. 여기서 GUI/CUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분이 바로 운영체제를 지칭합니다.
드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스 커널
프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리와 같은 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 것으로, 자동차가 운영체제라고 한다면 엔진이 커널에 해당합니다. 자동차의 종류는 다양한 것처럼 운영체제의 종류는 다양하지만 성능을 결정하는 것은 커널이 좌우합니다.
시스템콜
시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용합니다.
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행됩니다.
I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프르웨어 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됩니다.
이 시스템콜은 하나의 추상화 계층입니다. 그렇기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있습니다.
modebit
시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분합니다.
modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수로 0은 커널 모드, 1은 유저 모드라고 설정됩니다.
카메라, 키보드등 I/O 디바이스를 운영체제를 통해서만(커널모드) 사용할 수 있게 하여 해킹으로 부터 사용자 장비를 보호합니다.
유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역에 제한을 주어 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하게 하는 모드
커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드컴퓨터의 요소
CPU
CPU(Central Processing Unit: 중앙처리장치)는 명령어의 해석과 자료의 연산, 비교 등의 처리를 제어하는 컴퓨터 시스템의 핵심 장치입니다. 다양한 입력 장치로부터 정보를 입력받아 처리한 후, 그 결과를 출력장치로 보내는 일련의 과정을 제어하고 조정하는 역할을 합니다.
CPU의 구성요소
CPU는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있습니다.
제어장치
제어장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품입니다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정합니다.
레지스터
레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킵니다. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠릅니다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달합니다.
산술논리연산장치
산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로입니다.
CPU의 연산 처리
1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드합니다. 레지스터에도 로드합니다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령합니다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장합니다.
인터럽트
인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말합니다. CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어 등의 장치에 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 경우에 발생할 수 있습니다.
인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됩니다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉩니다.
인터럽트 핸들러 함수 :
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수.
커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다. 하드웨어 인터럽트
하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말합니다.
이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행합니다.
소프트웨어 인터럽트
소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 합니다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동합니다.
DMA 컨트롤러
DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻합니다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 됩니다. 또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지합니다.
메모리
메모리(memory)는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 합니다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당합니다.
메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있습니다.
타이머
타이머(timer)는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 합니다.
디바이스 컨트롤러
디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻합니다.
