3.1 운영체제와 컴퓨터
스터디를 함께 진행했음
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- 메모리 관리
- 디스크 파일 관리
- I/O 디바이스 관리
운영체제의 구조
- GUI는 없을 수도 있다.
- 커널 : 운영체제의 핵심 부분으로, 하드웨어 자원을 관리하고 프로세스·메모리·파일 시스템·I/O 요청을 제어한다.
- 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
시스템 콜 : 사용자 프로그램이 운영 체제의 커널 기능을 요청하기 위한 인터페이스
유저 프로그램이 I/O 요청을 위해 시스템 콜을 호출하면 트랩이 발생하고, 운영체제가 올바른 요청인지 확인한 뒤 커널 모드로 전환되어 I/O 작업을 수행한다.
- 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역. 유저 프로그램의 로직이 수행된다.
- 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드. 파일을 읽는 것은 커널 모드에서 수행된다.
이런 분리를 통해서 유저 프로그램이 컴퓨터 자원에 직접 접근하는 것을 차단하고, 프로그램들 사이에 보호를 할 수 있다.
프로세스나 스레드에서 운영체제에 어떤 요청을 할 때 시스템 콜과 커널을 거쳐서 그 요청이 운영체제에 전달된다. 이런 면에서 시스템 콜은 추상화 계층이라고 할 수 있다.
modebit : CPU가 현재 실행 모드가 유저 모드인지 커널 모드인지 구분하기 위한 플래그.
modebit가 0이면 커널 모드, 1이면 유저 모드를 의미한다.
유저 모드에서는 컴퓨터 자원에 직접 접근할 수 없다. 대신 시스템 콜을 호출하면 트랩이 발생하고, 운영체제가 요청을 검증한 뒤 modebit를 0으로 바꿔 커널 모드에서 작업을 수행한다. 작업이 끝나면 다시 modebit를 1로 바꾸고 유저 모드로 돌아간다.
컴퓨터의 요소
CPU
CPU는 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 장치. 일꾼이다.
관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려서 프로세스로 만들면, CPU가 이걸 실행한다.
CPU는 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치로 구성되어 있다.
제어장치(Control Unit) : 명령어를 읽고 해석하며, CPU 내부와 I/O 장치 간의 데이터 흐름을 제어하고 데이터 처리 순서를 결정한다.
레지스터 : CPU가 사용하는 임시 기억장치. CPU와 직접 연결되어 있기 때문에 매우 빠르다. 레지스터를 거쳐서 데이터가 전달된다.
산술논리연산장치(ALU) : 덧셈, 뺄셈 같은 산술 연산과 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 수행하는 디지털 회로이다.
CPU의 연산 과정 예시
- 제어장치가 메모리에 있는 계산할 값을 레지스터로 로드한다.
- 제어장치가 레지스터의 값을 연산하라고 ALU에 명령한다.
- ALU가 연산한 결과를 다시 레지스터에 저장한 뒤, 필요하면 메모리에 저장한다.
인터럽트 : 어떤 신호를 통해서 CPU를 잠깐 정지시키는 것
인터럽트가 발생하면 인터럽트 벡터 테이블을 참조해서 해당 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
인터럽트 벡터 : 인터럽트 핸들러의 주소
인터럽트 벡터 테이블 : 인터럽트별 핸들러의 주소를 담고 있는 테이블
- 하드웨어 인터럽트 : I/O 디바이스로부터 발생되는 인터럽트
- 소프트웨어 인터럽트 : 트랩이라고도 한다. 시스템 콜을 호출하거나 프로세스 오류가 발생했을 때 발생하는 인터럽트
DMA 컨트롤러
I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있게 하는 장치
CPU가 너무 많은 인터럽트를 처리하면 부하가 심해질 수 있기 때문에 CPU의 일을 나눠서 하는 보조 일꾼 역할을 한다.
메모리
데이터나 상태, 명령어를 기록하는 장치. 보통 RAM을 메모리라 한다.
CPU가 일꾼이라면 메모리는 작업장이라 할 수 있다. 작업장이 크면 많은 일을 할 수 있듯이, 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.
타이머
특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다.
디바이스 컨트롤러
I/O 디바이스들의 작은 CPU를 말한다. 각 디바이스를 제어하고, CPU와 디바이스 사이에서 데이터를 주고받는 역할을 한다.