운영체제란 ?

컴퓨터라는 하드웨어를 운영하는 소프트웨어

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1. Ubiquity of Computing Devices

산재 되어있는 Computing Devices

Computing Devices은 운영체제가 반드시 필요

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2. Complexity is Our Enemy →”너무" 다양한 것이 문제다.

다양성에 따른 처리해야 할 것이 너무 많다.

Diversity of Hardware( and Standards)

• CPU : ISA, cache size, clock speed
• Memory size, type, disk size, type
• I/O devices : keyboard, mouse, touchapd, camera ...
• Network : wifi, wired, 5G, ...
• Interfaces : USB,type-c,PCI,Bluetooth,zigbee, ...

Diversity of Software to run

• Text editor, Calculartor, game ,web browser, ...

계속 업데이트 되면서 점점 커지고, 바뀌면서 더 문제가 됨

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3. What is an Operating System?

• 하드웨어를 관리( manage ) 하는 프로그램
• 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 간의 중간자 역할 ( 하드웨어 —— 운영체제 —— 유저 (복잡한 detail을 알 필요는 없음) )
• OS의 목표
  • 유저 프로그램을 실행하고 user problems 해결을 쉽게 해줌
  • Computer system을 사용하기 편하게 해줌
  • computer H/W를 효율적으로 쓸 수 있게 해줌

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4. Abstract View of Computer System

• Computer System Components ( 컴퓨터 시스템 구성요소)
  • H/W, OS, Applications, Users

User ↔ System and application programs ↔ OS ↔ Computer Hardware

• 어플리케이션은 컴퓨터 하드웨어와 직접적으로 연결되지 않음

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5. O.S View Points (관점)

User View

• Home PC user
  • 주요 목적은 사용하기 쉬움이다.
  • Resource utilization(자원의 사용퍼센트) 는 고려의 대상이 아님
• Mainframe / minicomputer ( 대형 컴퓨터 )
  • Resource utilization을 maximize ( 100%로 유지하려는 , 사용자의 편의와는 상관 X )
• WorkStation ( 서버급 컴퓨터)
  • Dedicated resource per user, but connected to shared resources : 공유된 자원을 잘 쓰도록 함이 목적
• Mobile devices

System View

• Resource allocator : 자원 분배를 조율
  • Resource: CPU, memory, storage, I/O devices, ...
  • Handle conflicting requests :충돌이 나는 경우 조율
• Control program: 통제
  • 에러를 막고, 컴퓨터 사용의 오용을 막음

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6. Definition of OS

Entire package consisting of the central S/W that manages resources and the accompanying S/W tools

• Kernel + system programs

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7. Computer System Organization

• CPU : 계산
• Memory : 프로그램들과 데이터
• I/O devices : disk, monitor,printers, Networtk 등등
• System bus : communication channel

• CPU와 device controllers는 평행하게 실행된다.
• memory controller가 엑세스를 동기화

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8. OS가 필요할 때

• 각각의 유저들은 프로그램을 돌린다.
  • 모두가 프린트를 사용할 때 → OS가 할 일 : 줄 세우기 (FIFO 등등 )
  • 모두가 메모리를 원할 때 → OS가 할 일 : allocator( 조율 ) 의 역할
  • 다른 것의 데이터를 훔쳐보려고 할 때 → OS가 할 일 : 보안 쪽 문제 (OS가 막아줘야 함)
• 프로그래머가 쓰길 원할 때
  • 어떠한 laptop에도 쓸 수 있게 → 표준화 필요
  • 많은 파일을 관리하고 싶을 때
  • 다른 컴퓨터와 communicate하는 프로그램을 만들고 싶을 때
• Owner가 원하는 것은
  • CPU와 memory의 남용 방지
  • 새로운 디스크를 추가할 때 → OS가 새로 해줘야 함
  • 네트워크에서 와이파이로 바꿀 때 → ( ex) 동영상 스트리밍 중 네트워크에서 와이파이 변환 등 )

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9. Computer Operations

• Start-Up : 부팅 시
  • Bootstrap program: 컴퓨터가 실행될 때 제일 처음 시작되는 프로그램 ( OS 아님 )
    • ROM이나 EEPROM(펌웨어)에 저장되어있음 → 고정 메모리 영역 (OS와 별도, 부팅 시 무조건 켜짐)
    • CPU registers, device Controllers, Memory를 초기화
    • OS kernel를 시작하고 부팅 → 약속된 장소에서 기계적으로 읽어서 OS인지 모르지만, OS가 실행 되는 것
  • System daemons : 컴퓨터가 가동되면, 백그라운드에서 계속 실행 ( 무한 루프, 종료하지 않음 )
    • 커널이 백그라운드에서 실행되는 동안 전체 실행
    • “init”이 첫번째 process (처리) → 이것이 많은 다른 데몬들을 시작시킴

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10. Computer Operations

• Interrupt : 간섭

  • CPU가 하던 일을 멈추고, interrupt handler가 작동하도록 하는 event

• H/W interrupt

  • timer, keyboard, mouse(좌표마다),DMA

• S/W interrupt = systemcall

• interrupt handling은 CPU의 key function

• interrupt vector: interrupt handler의 주소들의 리스트 (순서대로 핸들링 하기 위해서)

• interrupted instruction의 주소를 저장, register state도 저장 ( ⇒ interrupt 로 넘어가기 이전의 것들을 기억)

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11. interrupt Timeline

I/O request → CPU에서 idle로 명령 → I/O device가 transferring ( 버스를 통해 ) → I/O interrupt processing

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12. Storage Structure

• 프로그램을 실행하려면 메모리 로드해야 함.
  • Memory: RAM ( = CPU와 연동되는 장치)
  • load/store instruction
• 폰 노이만 아키텍쳐
  • instruction(명령) 과 data(데이터) 가 같은 메모리에 저장되어있음, single link to the CPU
  • CPU can have multiple functional units
  • Memory access can be enhanced by use of cache
• Secondary storage
  • 대게 HDD 의미
  • main memory가 volatile이고 매우 작기 때문에 필요

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13. Storage Structure

• Storage device hierarchy
• SSD = faster than HDD and non- volatile
• NVRAM

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14. I/O structure

• Device controller
  • CPU는 device controller들과 common bus를 통해 연결 됨 (SCSI controller)
  • 이 컨트롤러 안의 자체의 버퍼, 특별한 목적의 register가 있다(각양각색)
  • data in/out을 책임 짐
  • OS는 device driver를 가지고 있다.
    • device driver는 다양한 controller에 상호작용하기 위해 필요한 소프트웨어이며, 각 회사에서 제공하는 것

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15. Computer System Architecture

• single-processor Systems
  • 하나의 주요 목적 프로세서(CPU) + 특별 목적의 프로세서
• Multiprocessor Systems
  • 통신량 증가, but N CPU ≠ N times performance

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16. Computer System Architecture

• Asymmetric multiprocessing
• Symmetric multiprocessing (SMP) → CPU끼리의 communicate X
  • 모든 프로세서가 peers
  • 물리적으로 다른 칩들이 memory 하나와 연결
• Multicore system
  • 칩 하나에 코어 여러 개 ,(코어 = CPU 비슷한 말)
  • 코어끼리 공유하는 cache가 따로 있음.