[OS] 운영체제의 구조(Operatring System Structure)

Yeontachi·2025년 5월 4일

운영체제 이론(Operating System)

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User Operating System Interface

운영체제와 사용자가 상호작용하는 방법을 의미하며, 크게 CLI(Command Line Interface)와 GUI(Graphical User Interface)로 나뉜다.

CLI(Command Line Interface, 명령어 인터프리터)

CLI는 사용자가 텍스트 기반 명령어를 직접 입력하여 운영체제와 상호작용하는 방식이다.
일부 운영체제에서는 커널에서 직접 구현되기도 하며, 일부는 시스템 프로그램을 통해 실행된다.
여러 개의 명령어 인터프리터가 존재하며, 이를 쉘(Shell)이라고 한다.
- 예: Base(Linux), Zsh, PowerShell(Windows)
CLI의 주요 기능
- 사용자로부터 명령어 입력을 받음
- 입력된 명령어를 실행

GUI(Graphical User Interface, 그래픽 사용자 인터페이스)

GUI는 아이콘, 창(Window), 메뉴(Menu), 마우스 클릭 등의 시각적 요소를 사용하여 운영체제와 상호작용하는 방식이다.
운영체제와의 인터페이스는 주로 마우스, 키보드, 모니터를 통해 이루어진다.
GUI 시스템에서는 사용자가 마우스를 이용하여 파일을 열거나, 창을 이동하는 등 데스크톱 메타포어(Desktop metaphor) 기반의 환경을 제공한다.
대표적인 GUI 환경:
- CDE(Common Desktop Environment) : 상용 유닉스(Unix) 시스템에서 사용
- GNOME : Linux 시스템에서 사용되는 대표적인 GUI 환경

CLI와 GUI의 공존

많은 운영체제는 CLI와 GUI를 모두 지원하여 사용자 환경을 유연하게 제공한다.
예:
- Windows : 기본적으로 GUI 환경이지만, "명령 프롬프트(command shell)"를 통해 CLI 제공
- Solaris : 기본적으로 CLI 환경이지만, 필요하면 Java Desktop, KDE 같은 GUI 환경 추가 가능
CLI는 개발자나 서버 관리자가 주로 사용하며, GUI는 일반 사용자에게 친숙한 인터페이스를 제공한다.

System Call and API

운영체제는 사용자 프로그램이 하드웨어 및 시스템 자원을 안전하게 사용할 수 있도록 시스템 호출(System Call)과 API(Application Programming Interface)를 제공한다.

System Call(시스템 호출)

운영체제가 제공하는 서비스에 접근하기 위한 프로그래밍 인터페이스이다.
사용자가 프로그램이 커널 모드에서 실행되는 OS 기능(예: 파일 읽기, 프로세스 생성 등)을 사용할 때 시스템 호출을 실행한다.
대부분 C 또는 C++로 작성된다.

API(Application Programming Interface, 응용 프로그램 인터페이스)

애플리케이션 개발자가 사용할 수 있도록 제공되는 함수의 집합이다.
대부분의 프로그램은 시스템 호출을 직접 사용하는 대신 API를 통해 시스템 콜을 간접적으로 사용한다.
운영체제 위에서 동작하는 미들웨어 계층이 API를 제공하는 경우도 많다.

API vs System Call

애플리케이션은 주로 API를 사용하며, 시스템 콜을 직접 호출하지 않는다.
API는 시스템 콜을 감싸서 제공하는 더 쉬운 인터페이스 역할을 한다.
예:
- Windows : Win32 API
- POSIX 기반(UNIX, Linux, Max OS X) : POSIX API
- Java : Java API(JVM용)

API를 사용하는 이유

호환성(Compatibility)
- 동일한 API를 지원하는 시스템에서는 같은 프로그램이 수정 없이 실행될 수 있다.
- 예를 들어, POSIX API를 사용하면 리눅스, macOS, 일부 UNIX 계열에서 동일한 코드를 실행 가능하다.
정보 은닉(Information Hiding)
- 시스템 콜은 복잡하고 세부적인 작업이 많기 때문에, API를 사용하면 이를 쉽게 감출 수 있다.
- 예를 들어, printf() 같은 C의 표준 입출력 함수는 내부적으로 여러 개의 시스템 콜을 수행하지만, 개발자는 간단하게 사용 가능하다.

대부분의 애플리케이션은 직접 시스템 콜을 사용하지 않고, API를 통해 운영체제의 기능을 활용한다.

System Call Implementation(시스템 콜 구현)

시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스(파일 입출력, 프로세스 생성, 메모리 관리 등)를 요청할 때 사용된다. 운영체제에서 커널(Kernel)이 직접 처리하는 기능이므로, 시스템 콜을 통해 사용자 프로그램이 커널 기능을 사용할 수 있다.

sys_call_table

각 시스템 콜은 고유한 번호(System Call Number)를 가진다.

운영체제는 시스템 콜을 sys_call_table이라는 메모리 내 테이블에서 관리한다.

ENTRY(sys_call_table)
.long sys_restart_syscall /* 0 */
.long sys_exit
.long sys_fork
.long sys_read
.long sys_write
.long sys_open /* 5 */
...
.long sys_foo /* 283 */

컴퓨터 부팅 시 sys_call_table이 메모리 상에 생성된다.

/*This file contains the system call numbers*/
#define __NR_restart_syscall 0
#define __NR_exit 1
#define __NR_fork 2
#define __NR_read 3
#define __NR_write 4
#define __NR_open 5
...
#define __NR_mq_unlink 278
#define __NR_mq_timedsend 279
#define __NR_mq_timedreceive 280
#define __NR_mq_notify 281
#define __NR_mq_getsetattr 282

#define __NR_foo 283

__NR_read는 시스템 콜 번호 3에 매핑된다.
사용자가 read()를 호출하면, 커널은 sys_call_table[3]을 찾아 sys_read함수를 실행한다.

Case : Linux

system call

int read(int fd, void* pBuf, int nBytes);

System call is defined as a macro

#define __NR_read
_syscall3(int, __NR_read, int, fd, void*, pBuf, int, nBytes);

System Call Parameter Passing(시스템 콜 매개변수 전달 방식)

운영체제는 사용자 프로그램이 시스템 콜을 할 애 전달한 매개변수를 받는 방법이 필요하다. 일반적으로 세 가지 방식이 존재한다.

레지스터 방식
- 가장 단순한 방식으로, 매개변수를 CPU 레지스터에 저장하여 전달
- CPU 레지스터 수가 한정되어 있어 많은 인자를 전달하기 어렵다.
블록(Block) 또는 테이블(Table) 방식
- 매개변수들을 메모리 블록 또는 테이블에 저장한 후, 해당 메모리 주소를 레지스터에 전달
- 리눅스와 솔라리스에서 주로 사용된다.

- **X** : 블록(테이블)의 시작 위치
- CPU 레지스터 하나에 블록의 시작 위치를 저장하여 매개 변수를 전달

스택(Stack) 방식
- 프로그램이 스택(Stack)에 매개변수를 push하면, 커널이 이를 pop하여 처리
- Windows 운영체제에서 주로 사용된다.
Block과 Stack 방식은 매개변수 개수와 크기에 제한이 없다는 장점이 있다.

Linux System Call

시스템 콜 실행 과정

1. 사용자 프로그램에서 API 호출

int read(int fd, void* pBuf, int nBytes);

2. API 내부에서 시스템 콜 번호 설정

#define __NR_read 3
CPU 레지스터 EAX에 시스템 콜 번호 저장(3번)

3. 소프트웨어 인터럽트(TRAP)발생

Linux x86에서는 int 0x80 명령어를 사용하여 커널 모드로 전환
- int 0x80 : interrupt 0x80 : "소프트웨어 인터럽트"(Exception) TRAP은 User mode에서 kernel mode 진입을 위해 사용한다.
EAX 레지스터에 시스템 콜 번호 저장

Systems Programs(시스템 프로그램)

운영체제가 기본적으로 제공하는 시스템 프로그램으로, 개발과 운영을 돕는 기능을 포함한다.

시스템 프로그램의 역할

파일 관리(File Management)
- 파일 및 디렉터리 생성, 삭제, 복사, 이름 변경 등
상태 정보 조회(Status Information)
- 시스템 상태(시간, 메모리 사용량, CPU 정보) 출력
프로그래밍 언어 지원(Programming Loading & Execution)
- 컴파일러, 인터프리터, 디버거 제공
프로그램 실행 및 로딩(Program Loading & Execution)
- 로더, 링커 제공
통신 기능(Communication)
- 원격 로그인, 파일 전송, 웹 브라우징

OS 구조(OS Architecture)

Monolithic Structure(단일 구조)

OS의 모든 기능이 하나의 커널에 포함된 구조
예: MS-DOS
- 장점 : 빠른 속도(함수 호출이 직접 수행됨)
- 단점 : 시스템 전체가 하나의 모듈로 구성되어 확장성과 안전성이 낮음

Layered Approach(계층 구조)

운영체제를 여러 계층(Layer)으로 나누어 설계
각 계층은 하위 계층의 기능만 사용 가능(Down Call)
장점 : 디버깅과 유지보수가 용이
단점 : 계층을 명확하게 구분하기 어려움, 성능 오버헤드 발생
예: UNIX

Microkernel Structure(마이크로 커널 구조)

커널에서 필수 기능만 남기고, 나머지는 사용자 공간에서 실행
모든 기능이 메세지(Message Passing)로 통신
장점:
- 확장성이 좋음(새 기능 추가 용이)
- 안전성이 높음(커널 크기가 작아 충돌 확률이 낮음)
- 보안성 우수(프로세스 간 메모리 격리)
단점:
- 사용자 공간과 커널 공간 간의 통신 비용이 크므로 성능 저하
예: macOS, QNX

Modular Structure(모듈 구조)

커널을 여러 개의 독립적인 모듈(Module)로 나누고, 필요할 때 동적으로 로드/언로드 가능
장점:
- 불필요한 기능을 제거하여 최적화 가능
- 특정 기능을 쉽게 추가 및 수정할 수 있음
단점:
- 모듈 간 의존성이 발생할 경우, 충돌이 발생할 가능성이 있음
예: Linux Kernel

현대 운영체제 사례

Windows, Linux, FreeBSD : 모듈형 구조 기반
macOS, QNX : 마이크로커널 기반
Solaris : 모듈형 커널을 지원하여 부팅 시 필요 모듈을 로드

Virtual Machines(가상 머신)

가상 머신(Virtual Machine, VM)은 계층적 접근 방식을 극대화한 개념으로, 하드웨어와 운영체제 커널을 마치 하나의 하드웨어처럼 취급한다.
가상 머신은 기본 하드웨어와 동일한 인터페이스를 제공한다.
운영 체제는 각 프로세스가 독립적인 프로세서와 (가상) 메모리를 갖고 실행되는 것처럼 보이도록 한다.

가상 머신의 특징

가상 머신 개념은 시스템 리소스를 완전히 보호하는데 효과적이며, 각각의 가상 머신은 다른 가상 머신과 완전히 분리된다.
하지만 이러한 완전한 격리로 인해 직접적인 리소스 공유는 불가능하다.
운영 체제 연구 및 개발에 적합한 환경을 제공하며, 개발을 물리적 머신이 아닌 가상 머신에서 진행함으로써 기존 시스템을 방해하지 않는다.
기본 하드웨어를 완벽하게 복제해야 하기 때문에 구현이 어렵고 많은 노력이 필요하다.

VMware Architecture

VMware는 가상 머신을 실행하는 대표적인 소프트웨어로, 하드웨어를 가상화하여 여러 운영 체제가 동시에 실행될 수 있도록 한다.

Java Virtual Machine, JVM)

자바 프로그램은 운영 체제에 종속되지 않도록 바이트 코드(bytecode)로 변환되어 JVM에서 실행된다.
JVM은 하드웨어가 아닌 소프트웨어 기반의 가상 머신이며, 플랫폼 독립적인 실행 환경을 제공한다.

시스템 부팅(System Boot)

부팅(Booting) : 컴퓨터가 시작될 때 커널을 로드하는 과정
부트 스트랩 프로그램(Bootstrap Program, or Bootloader BIOS)
1. 시스템이 정상적으로 동작할 수 있는지 확인(RAM 및 주변 장치 점검)
2. 커널을 찾고, 메모리에 로드한 후 실행
운영 체제별 부팅 방식
- Two-step booting precess(Linux, Unix, and Windows OS)
  1. 부트스트랩 프로그램 실행 :
    - 시스템 점검 수행
    - 부트 블록(MBR, Master Boot Record) 로드(일반적으로 디스크의 0번 블록)
    - 부트 블록의 코드를 실행하여 운영 체제 로드 준비
  2. 부트 블록의 코드가 운영 체제를 메모리에 로드하고 실행

Case:Linux
- LILO(Linux Loader) : 리눅스를 위한 범용 부트 로더
  - MBR 또는 특정 파티션의 부트 섹터에 설치 가능하다.
  - 특정 파일 시스템에 종속되지 않는다.
  - 플로피 디스크와 하드 디스크에서 운영 체제(예: 리눅스 커널 이미지)를 부팅 가능하다.

Yeontachi

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