[1] 운영체제의 개념과 구조

해당 글은 inflearn의 <운영체제 공룡책 강의 (주니온)>을 보고 정리하였습니다.

Chapter 1-2 : Introduction & O/S Structures

1.1 What Operating Systems Do

• An operating system is a software that manages a computer’s hardware 컴퓨터 하드웨어를 관리하는 소프트웨어를 운영체제라고 한다.
  

• It also provides a basis for application programs and acts as an intermediary between the computer user and the computer hardware 운영체제는 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 사이의 중간 매개역할을 해준다.
  

• 크게 4개의 컴포넌트를 가지고 컴퓨터를 생각해볼 수 있다.
  • the hardware
  • the operating system
  • the application programs
  • a user

• Defining Operating System (운영체제의 정의)
  • There are NO universally accepted definition of an operating system.
  • A more common definition is that
    • “the one program running at all times on the computer” (항상 동작하는 프로그램)
    • usually called the kernel
  • Along with the kernel, there are two other types of programs:
    • system programs
    • application programs

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1.2 Computer-System Organization

• A classical computer system consist of
  

전통적인 컴퓨터 시스템은 cpu가 있고, 여러 개의 device controller가 bus를 통해 연결되어있다.

이런 형태의 컴퓨터 시스템의 제어를 os가 담당한다.

• A bootstrap program

  첫번째로 필요한 프로그램이다.
  우리가 컴퓨터를 키는 것을 부팅한다고 하는데, 그 어원도 bootstraping에서 나왔다.

  • is the first program to run on computer power-on
  • and then loads the operating system.
  • 운영체제를 메모리에 로딩해주는 역할을 한다. 그 다음부터는 나머지 응용프로그램들은 운영체제가 알아서 해준다.

• Interrupts
  • Hardware may trigger an interrupt at any time by sending a signal to CPU, usually by way of the system bus.

• I/O device 예를 들어, 키보드의 A키를 눌렀다. ⇒ 이게 눌러졌다는걸 cpu에 알려줘야한다! 이럴 때 interrupt를 사용한다.

  • 이렇게 cpu하고, 주변 장치하고 통신하는 방법 중에 하나가 interrupt

• von Neumann architecture (폰 노이만 아키텍쳐) : fetch, execute 사이클
  • A typical instruction - execution cycle
    • first fetches an instruction from memory (메모리→CPU로)
    • and stores that instruction in the instruction register(IR).
  • The instruction is then decoded
    • and may cause operands to be fetched from memory
    • and stored in some internal register
  • After the instruction on the operands
    • has been executed,
    • the result may be stored back in memory.

• Storage - device hierarchy

  The wide variety of storage systems can be organized in a hierarchy according to:
  storage capacity and access time에 따라서 여러 개의 계층 구조가 있다.

• I/O Structure
  • A large portion of OS code is dedicated to managing I/O
  • os kernel은 굉장히 안정적으로 개발되어 있기 때문에, 새로운 디바이스를 제어하는 디바이스 컨트롤러를 만드는 게 주다.

- DMA : Directed Memory Access 디바이스와 디바이스끼리 direct로 access한다.

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1.3 Computer System Architecture

• Definitions of Computer System Components
  • CPU- The hardware that executes instructions
  • Processor- A physical chip that contains one or more CPUs
  • Core - The back computation unit of the CPU
  • Multicore - Including multiple computing cores on the same CPU
  • Multiprocessor - Including multiple processors
    

이제 cpu 하나에 메모리 하나 있는 구조는 잘 사용하지 않는다.

• Symmetric multiprocessing (SMP)
  • The most common multiprocessor systems,
  • in which each peer CPU processor performs all tasks.
• Asymmetric multiprocessing: (거의 안쓴다)
  • each processor is assigned a specific task.

• 메모리가 한개인데, 메모리에 연결되어있는 cpu가 여러개!
• 각각의 register와 cache를 가짐

• Multi-core design
  • with several cores on the same processor chip
  • cpu를 여러개를 다는 건 사실 비용이 너무 많이 든다.
  • cpu 하나에 (같은 프로세서 칩 하나에) 여러 개의 core를 두는 방법

- 2개의 코어 ⇒ dual-core / 요즘 비싼 건 8코어까지 나온다고 한다.

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1.4 Operating System Operations

• Multiprogramming
  • runs more than one program at a time. (한개 이상의 프로그램이 실행된다.)
  • keeps several processes in memory simultaneously. (여러 개의 프로세스가 메모리에 동시에 올라가있다.)
  • to increase CPU utilization (cpu의 사용효율을 올릴 수 있다.)
  • program : a set of instructions

Figure 1.12 Memory layout for a multiprogramming system.

• 프로그램을 메모리에 한 개만 로딩해서 썼다.
• 여러 개의 프로그램을 동시에 메모리에 올려놓고, 동시에 실행시켜주는 것을 멀티 프로그래밍이라고 한다.

• Multitasking (=multiprocessing)을 할 수 있게 됐다!
  • a logical extension of multiprogramming
    • in which CPU switches jobs so frequently that
    • users can interact with each job while it is running
      
      
  • 이걸 하려면 CPU scheduling이 필요하다.
    • if several processes are ready to run at the same time,
    • the system must choose which process will run next
    • 어떤 프로세스를 다음에 실행시킬 지 선택하는 방법이 무엇인가. cpu 효율을 가장 좋게 하면서 (5장에서 중요하게 다루는 내용)

• Two separate mode of operations: (오퍼레이션 모드)
  • user mode and kernel mode
  • to ensure that an incorrect program
    • cannot cause other programs to execute incorrectly
    • OS를 제외한 프로그램들은 직접적으로 하드웨어를 조작하지 못하게 막아서, 나쁜 짓을 하지 못하게 한다.

kernel 모드에서만 하드웨어 제어 가능!

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1.7 Virtualization

• 가상화 기술

• Virtualization is a technology that allow us

  • to abstract the hardware of a single computer

  • into several different execution environments

    하나의 cpu에 여러개의 프로세스(=실행중인 프로그램)를 돌릴 수 있는데.. 하나의 hardware 위에 여러 개의 os를 띄울 수 있지 않을까?

  • VMM: Virtual Machine Manager

    • VMware, XEN, WSL, and so on.
  

• CPU 스케줄링하듯이, OS VMM 스케줄링을 하면, 동시에 OS가 여러 개 돌 수 있다..?
  

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1.10 Computing Environments

• Operating Systems in the Variety of Computing Environments (다양해진 Computing Env)
  • Traditional Computing
    • CPU하나에, 메모리 하나
  • Mobile Computing
    • 안드로이드, 아이폰 운영체제
  • Client-Server Computing
    • 웹 브라우저 - 웹 서버
  • Peer-to-Peer Computing
  • Cloud Computing (ex) AWS)
  • Real-Time Embedded Systems (RTOS: Real Time Operating System)

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2.1 Operating System Service

• OS provides an environment for the execution of programs. 운영체제는 컴퓨터 프로그램이 실행될 수 있는 환경을 제공해준다.

  • user interface

  • Program execution

  • I/O operation

  • File-system manipulation

  • Communications

  • Error detection

  • Resource allocation

  • Logging

  • Protection and security

    

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2.2 User and Operating- System Interface

• Three fundamental ways for users to interface with the OS:
  • CLI, GUI, Touch-Screen Interace

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2.3 System Calls

컴퓨터 응용프로그램은 OS와 어떻게 interface 하는가

• System calls (=OS의 API)
  • provide an interface to the services made by the OS
  • API : Application Programming Interface
• 일일이 시스템 콜을 쓰기 귀찮으니 라이브러리를 제공해준다.