[CS 전공지식 노트] 운영체제와 컴퓨터

 

 

'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 읽고 개인적으로 정리한 글입니다.

 

 

운영체제(Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스임

 

=> 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배

 

운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어(firmware)라고 함

 

3.1.1 운영체제의 역할과 구조

 

운엉체제의 역할

 

운영체제의 역할을 크게 4가지가 있음

 

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리
  
  => CPU 소유권을 어떤 프로세스에게 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리함
• 메모리 관리
  
  => 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리함
  
  
• 디스크 파일 관리
  
  => 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리함
  
  
• I/O 디바이스 관리
  
  => I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리함

 

운영체제의 구조

 

운영체제의 구조

 

GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분을 운영체제로 지칭하는데 GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있음

 

• GUI
  
  => 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
  (단순 명령어 창이 아닌 아이콘 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 해줌)
  
  
• 드라이버
  
  => 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
  
  
• CUI
  
  => 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

 

시스템콜

 

시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 씀

 

=> 유저 프로그램이 I/O 요청으로 trap을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행됨

 

fs.readFile()은 파일 시스템의 파일을 읽는 함수

 

 

fs.readFile()이 동작하는걸 보면 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행함

 

=> 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음

 

 

 

 

위 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떤 요청을 할 때 시스템 콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됨

 

시스템콜은 하나의 추상화 계층임

=> 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있음

 

 

modebit

 

 

modebit는 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수인데 시스템콜이 작동될 때 이를 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분함

 

 

카메라를 켜는 프로그램이 있다고 가정했을 때 만약 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수도 있음

 

=> 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 동작한다고 해도 100% 막을 수는 없지만, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉬움
(카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야함)

 

그래서 위 그림과 같이 유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템콜을 호출하고 modebit를 1 -> 0 으로 바꾸며 커널 모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행함

그리고 다시 modebit를 0 -> 1로 바꿔서 유저 모드로 변경하고 이후 로직을 수행함

 

 

• 유저 모드 
  
  => 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
  
  
• 커널 모드
  
  => 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
  
  
• 커널
  
  => 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 함

 

3.1.2 컴퓨터의 요소

 

 

 

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져있음

 

• DMA 컨트롤러 : I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
  
  => CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼으로 생각
  (또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지함)
  
  
• 메모리(Random Access Memory) : 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
  
  =>  CPU가 계산을 담당한다면 RAM은 기억을 담당
  
  
• 타이머 : 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 함
  
  => 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
  
  
• 디바이스 컨트롤러 : 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU
  
  => 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻함

 

CPU

 

CPU(Central Processing Unit)는  산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, interrupt에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할을함

 

 

 

위 그림처럼 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리함

 

• 제어장치(Control Unit) : 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
  
  => 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
  
  
• 레지스터 : CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
  
  => CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름
  (CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달)
  
  
• 산술논리연산장치(Arithmetic Logic Unit) : 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디저털 회로

CPU의 연산 처리

 

 

 

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 로드함

=> 메모리는 CPU보다 느리기 때문에 레지스터에도 로드한 후 데이터를 전달

2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령함

3. 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리'로 계산한 값을 저장

=> 연산이 끝난 후 레지스터에 계속 두기에는 용량이 작으므로 다시 RAM(메모리)로 저장

 

 

인터럽트

 

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말함

=> 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생

 

 

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨

 

(인터럽트 간에는 우선순위가 있고 이에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉨)

 

인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수로 커널 내부의 IRQ(Interrupt Request)를 통해 호출되며 requesrt_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음

 

 

하드웨어 인터럽트

 

키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트

 

소프트웨어 인터럽트

 

트랩(trap)이라고도 하며 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동