운영체제
운영체제(OS, Operating System)
컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리하고, 사용자와 하드웨어 간의 인터페이스 역할을 수행하는 소프트웨어
📌 대표적인 운영체제
- 데스크톱 운영체제: Windows, macOS, Linux
- 모바일 운영체제: Android, iOS
📌 핵심 기능
- 자원 할당 및 관리
- 프로세스 및 스레드 관리
운영체제의 핵심 부분은 커널(Kernel) 이며, 하드웨어와 직접 상호 작용하며 시스템 자원을 관리하는 역할을 수행
운영체제의 역할
📌 자원 할당 및 관리
운영체제의 핵심 기능 중 하나
이를 이해하기 위해 먼저 자원(Resource) 개념을 알아야 함
- 소프트웨어 자원: 프로그램 실행에 필요한 데이터
- 하드웨어 자원: 프로그램 실행에 필요한 컴퓨터 부품 (CPU, 메모리, 보조기억장치 등)
운영체제는 응용 프로그램을 대신하여 CPU, 메모리, 보조기억장치 등의 자원을 관리하고, 프로그램들이 자원을 원활하게 사용할 수 있도록 지원
📌 CPU 관리: CPU 스케줄링
메모리에는 여러 개의 프로그램(프로세스)이 적재될 수 있지만, CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능
따라서 운영체제는 공정하고 합리적인 CPU 할당을 위해 CPU 스케줄링을 수행
CPU 스케줄링 알고리즘을 통해 실행 순서와 사용 시간을 결정
- CPU 관리: CPU 스케줄링
- 기본 개념 - 우선순위, 스케쥴링 큐, 선점형과 비선점형
- CPU 스케쥴링 알고리즘
- 리눅스 CPU 스케줄링
📌 메모리 관리: 가상 메모리
운영체제는 실행 중인 프로그램을 메모리에 적재하고, 종료된 프로그램을 삭제하는 역할을 수행
이를 위해 가상 메모리(Virtual Memory) 기법을 활용
- 메모리 관리: 가상 메모리
- 물리 주소와 논리 주소
- 메모리 할당
- 페이징과 페이지 교체 알고리즘
📌 파일/디렉터리 관리: 파일 시스템
운영체제는 보조기억장치를 효율적으로 관리하기 위해 파일 시스템을 제공
파일 시스템을 통해 데이터 저장 및 접근이 용이하도록 파일 및 디렉터리(폴더) 구조를 관리
- 파일/디렉터리 관리: 파일 시스템
- 파일과 디렉터리
- 파일 시스템
운영체제의 입출력장치 및 캐시 메모리 관리
컴퓨터의 핵심부품인 CPU, 메모리, 보조기억장치 외에 입출력장치와 캐시메모리도 운영체제에 의해 관리되는 자원
운영체제는 일부 입출력장치의 장치 드라이버, 하드웨어 인터럽트 서비스 루틴을 제공하거나 캐시메모리의 일관성을 유지하는 등의 기능을 제공
📌 프로세스 및 스레드 관리
운영체제는 실행 중인 프로그램을 프로세스(Process) 라고 하며, 프로세스 내에서 실행 단위를 스레드(Thread) 라고 함
- 프로세스 및 스레드 관리
- 프로세스와 스레드
- 동기화와 교착 상태
운영체제는 프로세스와 스레드가 원활하게 실행될 수 있도록 자원을 배분하고 실행 순서를 제어
운영체제 역할 정리
시스템 콜과 이중 모드
운영체제도 일종의 프로그램이기 때문에 실행되려면 반드시 메모리에 적재되어야 함
하지만 운영체제는 일반 응용 프로그램과 다르게 특별한 프로그램이므로 커널 영역(Kernel Space) 이라는 공간에 따로 적재되어 실행 됨
📌 커널 영역 / 사용자 영역
1️⃣ 커널 영역(Kernel Space)
- 운영체제(OS)가 적재되어 실행되는 공간
- 하드웨어 제어 및 자원 관리 기능 수행
2️⃣ 사용자 영역(User Space)
- 응용 프로그램(Web Browser, 게임 등)이 실행되는 공간
- 직접 CPU, 메모리 등의 자원에 접근할 수 없음
- 운영체제의 도움을 받아야만 시스템 자원에 접근 가능
운영체제의 기능을 사용하려면 커널 영역의 코드를 실행해야 함
📌 시스템 콜(System Call)
사용자 프로그램은 **운영체제의 코드(커널 영역 코드)를 직접 실행할 수 없음
대신, 시스템 콜을 호출하여 운영체제의 기능을 요청
📌 시스템 콜 호출 방식
시스템 콜의 동작 과정과 이중 모드
📌 시스템 콜의 동작 과정
1️⃣ 소프트웨어 인터럽트 발생
- 응용 프로그램이 시스템 콜을 호출하면 소프트웨어 인터럽트 발생
- CPU는 현재 실행 중인 작업을 백업하고, 커널 영역으로 전환
2️⃣ CPU의 커널 모드 전환 및 운영체제 실행
- CPU는 커널 모드로 전환되며, 운영체제가 시스템 콜을 처리
- 시스템 콜에 해당하는 운영체제 코드가 실행
3️⃣ CPU가 사용자 모드로 재전환
- 운영체제의 시스템 콜 처리가 끝나면 CPU는 다시 사용자 모드로 전환
- 응용 프로그램이 계속 실행
📌 이중 모드(Dual Mode)
- CPU는 사용자 모드와 커널 모드를 전환하며 실행
- 사용자 모드에서는 운영체제의 커널 코드 실행이 불가능
- 시스템 콜을 호출하면 CPU가 커널 모드로 전환되어 운영체제 기능을 실행
CPU는 실행 과정에서 사용자 모드와 커널 모드를 구분하여 실행
| 실행 모드 | 설명 |
|---|---|
| 사용자 모드 (User Mode) | 응용 프로그램이 실행되는 모드. 운영체제 서비스 제공 불가. |
| 커널 모드 (Kernel Mode) | 운영체제가 실행되는 모드. 자원 접근 및 시스템 관리 가능. |
응용 프로그램은 실행 과정에서 시스템 콜을 매우 자주 호출
예를 들어, "Hello, World!" 를 출력하는 단순한 프로그램조차 600번 이상의 시스템 콜을 호출
참고: 북스터디 - 이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 (Chapter 3-1)
