CS 스터디 - Week1 운영체제란?

운영체제란?

• 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
• 협의의 운영체제 (커널)
  • 항상 메모리에 상주하는 부분
  • 전공자 입장에서 OS는 보통 커널을 명칭
• 광의의 운영체제
  • 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념

운영 체제의 목적

• 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
  • 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리
    • 사용자간의 형평성 있는 자원 분배
    • 주어진 자원으로 최대한의 성능
  • 사용자 및 운영체제 자신의 보호
  • 프로세스, 파일, 메시지 등을 관리
• 사용자가 편리하게 컴퓨터를 사용하게 도와줌

💡 **CPU는 매우 빠른 자원이다**.

최대한의 효율로 사용할 수 있도록 OS 레벨에서 CPU를 번갈아가며 할당해주는 것도 중요하다.

운영체제의 분류

1. 동시 작업 가능 여부

• 단일 작업

  • 한번에 하나의 작업만 처리

    예) MS-DOS 프롬포트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없다.

• 다중 작업

  • 동시에 두 개 이상의 작업 처리

    예) UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음

2. 사용자의 수

• 단일 사용자 예) MS-DOS, MS Windows
  
• 다중 사용자 예)UNIX, NT server
  

3. 처리 방식(batch processing)

• 일괄 처리
  • 작업 요청의 일정량을 모아서 한꺼번에 처리
  • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 한다 (병목 현상 발생 가능성)
• 시분할

  • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용

  • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐

  • interactive한 방식

    💡 사용자가 늘어나면 응답 시간의 편차가 날 수도 있다.
• 실시간(Realtime OS)

  • 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS

    예) 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로보트 제어

• 실시간 시스템의 개념 확장
  • Hard realtime system (경성 실시간 시스템)
  • Soft realtime system(연성 실시간 시스템)

용어 정리

• Multitasking
  • 동시에 실행되는 것처럼 보이는 작업
• Multiprogramming
  • 메모리에 여러 프로그램이 올라가 있음을 강조하는 작업(메모리 강조)
• Time sharing
  • CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조한다.
• Multiprocess

⇒ 위의 용어는 유사한 의미로 사용되는 용어들이다.

단 Multipricessor는 CPU가 여러 개를 의미한다.

운영 체제의 예

• DOS(Disk Operation System)
  • MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
  • 단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계
• MS Windows
  • MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영 체제
  • Plug and Play, 네트워크 환경 강화
  • DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
  • 불안정성
  • 풍부한 지원 소프트웨어
• Handheld device를 위한 OS
  • PalmOS, Pocket PC (WinCE), Tiny OS
• 유닉스 (UNIX)
  • 코드의 대부분을 C언어로 작성(초창기엔 유닉스를 만들기 위해 개발한 언어가 C언어)
  • 높은 이식성
  • 최소한의 커널 구조
  • 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
  • 소스 코드 공개
  • 프로그램 개발에 용이
  • 다양한 버전
    • System V, FreeBSD, SunOS, Solaris
    • Linux

운영 체제의 구조

• 속도가 매우 빠른 CPU를 어떤 task에 할당 해야할까? ⇒ CPU 스케줄링
• 한정된 메모리를 어떻게 쪼개서 써야 할까? ⇒ 메모리 관리
• 디스크에 파일을 어떻게 보관할 것인가? ⇒ 파일 관리
• 각기 다른 입출력 장치와 컴퓨터와 통신을 어떻게 할 것인가? ⇒ 입출력 관리
• 프로세스 관리
  • 프로세스의 셍성관 삭제
  • 자원 할당 및 반환
  • 프로세스 간 협력
• 그 외
  • 보호 시스템
  • 네트워킹
  • 명령어해석기

예상 질문 및 정리

• 운영 체제의 역할을 말해봐라

  1. 프로세스 관리
  2. 저장장치 관리
  3. 네트워킹
  4. 사용자 관리
  5. 디바이스 드라이버

• 프로세스 관리란?

  OS에서 작동하는 응용 프로그램을 관리하는 기능이며, 프로세서를 관리 하는 것이라고 볼 수 있다.
  

• 저장장치 관리란?

  1차 저장장치와 2차 저장장치를 관리하는 기능이다

  • 1차 저장장치(Main Memory)
    • 프로세스에 할당하는 메모리 영역의 할당과 해제
    • 각 메모리 영역 간의 침범을 방지한다.
    • 메인 메모리의 효율적 사용을 위하여 가상 메모리도 제공한다
  • 2차 저장장치(HDD, NAND, Flash Memory)
    • 파일 형식의 데이터 저장과 데이터 관리를 위한 파일 시스템을 OS에서 관리
    • FAT , NTFS, EXT2, JFS, XFS 등이 개발되어 사용 중

• 네트워킹이란?

  TCP/IP 기반의 인터넷에 연결하는 등 네트워크를 사용하기 위해 OS에서 네트워크 프로토콜 자체를 지원해야 한다.
  

• 사용자 관리 기능 이란?

  과거에는 하나의 PC를 한 개인이 사용한다는 전제를 두고 OS 를 개발하곤 했지만 (ex. MS-DOS) 현재는 하나의 PC를 여러 사람이 사용하는 경우도 많다(서버) 그러므로 한 컴퓨터의 자원을 여러 사람이 사용하는 환경도 지원해야한다.

  따라서 각 계정을 관리할 수 있는 기능이 필요하며, 사용자 별로 프라이버시와 보안을 위해 개인 파일에 대해선 다른 사용자가 접근 할 수 없도록 제공해야 하며, 이러한 시스템 자원에 접근 권한을 지정할 수 있도록 지원하는 것이 사용자 관리 기능이다.
  

• 디바이스 드라이버?

  OS는 시스템의 자원과 하드웨어를 관리한다. PC와 시스템에는 여러가지 하드웨어가 붙어 있는데 이 모든 하드웨어를 운영체제에서 인식하고 관리하게 만들기 위한 응용 프로그램이 디바이스 드라이버 이다.

  따라서, 운영체제 안에 하드웨어를 추상화 해주는 계층이 필요한데. 이 계층을 디바이스 드라이버라고 불리며, 하드웨어의 종류가 많은 만큼 운영체제 내부의 디바이스 드라이버의 종류도 많다.

  💡 과거의 랜카드를 생각해보면 좋을듯 하다. 과거에는 컴퓨터를 조립하고 윈도우를 깔았어도, 랜카드 드라이버를 추가적으로 설치해주지 않으면, 메인보드의 랜카드를 인식 못하여 인터넷 접속이 불가능 했었다.

• 프로세스 관리에 대하여 설명해보세요.

  프로세스 관리는 크게 4가지로 나뉜다.

  1. 프로세스, 스레드

     프로세스의 사전적 의미

     • 컴퓨터에서 연속적으로 실행 되고 있는 컴퓨터 프로그램이다.
     • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스
     • 운영체제로부터 시스템 자원(CPU, 주소, 메모리)을 할당 받는 작업의 단위

     스레드의 사전적 의미

     • 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
     • 프로세스의 특정한 수행경로
     • 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행의 단위

     더 자세한 사항은 이후 프로세스와 스레드에서 더 자세히 다룰 예정

  2. 스케줄링

     프로세스가 생성되어 실행될때 필요한 시스템의 여러 자원을 해당 프로세스에게 자원을 할당 하는 작업이다.

     이러한 스케줄링 방식에는 장기 스케줄링 , 중기 스케줄링 , 단기 스케줄링 이 있다.

     더 자세한 사항은 추후에 CPU 스케줄링에서 다룰 예정

  3. 동기화(Synchronization)

     프로세스나 스레드들이 수행되는 시점을 조절하여 서로 알고 있는 정보가 일치하게 만드는 것을 의미하며, 공유자원에 두 프로세스가 동시에 접근할 때 공유 자원에 대한 선점문제나, 데이터 문제를 해결하는 것을 의미한다.

     즉 여러 프로세스가 공유하는 자원들의 일관성을 유지하기 위한 기법들을 의미한다.

     이것도 추후에 자세하게 다룰 예정

  4. IPC(Inter Process Communication) 통신

     프로세스들끼리 서로 데이터를 주고받은 행위 또는 그에 대한 방법을 뜻한다.

     프로세스는 각 실행영역에서 완전히 독립된 실행 객체 이다. 서로 독립 되어 있으므로 다른 프로세스의 영향을 받지 않는다는 장점이 있으나, 독립되어 있는 경우는 다른말로 말하면 고립되어 있다고도 의미한다. 즉 서로간의 통신이 어렵다는 문제가 있다.

     커널 의 IPC설비를 이용하여 통신을 할 수 있도록 도와준다.

     IPC의 종류

     1. 메시지 전달

        커널이 제공하는 API를 이용하요 메시지 큐 를 사용하여 통신한다.

     2. 메모리 공유

        프로세스들끼리 특정 공통의 메모리 영역을 공유하여 상호간 통신한다.

        데이터 자체를 공유하도록 지원하며, 이로 인한 공유메모리 접근에 대한 동기화 문제도 발생할 수 있다.