운영체제 공룡책 정리 🦖 ch01. 운영체제 개요

운영체제란?

운영체제의 정의

컴퓨터를 사용하여 특정 목적을 유용하게 달성하기 위한 도구.

1. 하드웨어를 관리하는 소프트웨어.
2. 하드웨어와 사용자 사이를 중재하는 소프트웨어.

운영체제의 목적

각 운영체제에는 달성하고자할 목적이 있으며 시스템의 크기에 따라 목적이 달라집니다.

• 대형 시스템 : 하드웨어 사용 최적화.
• 중형 시스템 : 대형 시스템과 소형 시스템의 중간지점.
• 소형 시스템 : 사용자가 편리하게 사용할 수 있는 인터페이스 제공.

프로그램의 구분

• 커널 : 운영체제의 핵심. 항상 실행되는 프로그램.
• 시스템 프로그램 : 운영체제와 연관되어 있으나 커널의 일부분은 아닌 프로그램.
• 응용 프로그램 : 그 이외의 프로그램.

부트스트랩과 Init

컴퓨터에 전원이 인가될 때 처음 실행되는 프로그램으로 펌웨어 또는 ROM에 위치합니다. 커널을 관리하는 프로그램인 init을 시작시키는 역할을 합니다.

현대 운영체제 구조

인터럽트

Interrupt Driven System

운영체제는 평소에 아무것도 하지 않으며 인터럽트에 의해서만 움직이기 때문에, 현대 운영체제는 인터럽트 주도 시스템이라고 불립니다.

1. 시스템 버스를 통해 인터럽트가 CPU에 전달된다.
2. 현재 상태를 백업하고 해당 인터럽트를 처리하는 서비스 루틴을 실행시킨다.
3. 백업된 정보를 사용하여 이전 상태로 복구한다.

인터럽트 종류

인터럽트가 발생된 위치에 따라 명칭이 달라집니다.

• 외부 인터럽트 : 하드웨어 수준에서 발생한 인터럽트. 트랩이라고 부릅니다.
  • 갑자기 전원이 끊긴 경우.
  • 하드웨어 타이머가 만료된 경우. ex) 왓치독 타이머

• 내부 인터럽트 : 소프트웨어 수준에서 발생한 인터럽트. 익셉션이라고 부릅니다.
  • 0으로 나누는 등, 잘못된 연산을 수행하려는 경우 → 프로그램 검사 인터럽트
  • 커널이 필요에 의해 일으킨 경우 → 슈퍼바이저 콜
  • 데이터 입출력을 다루는 경우 → I/O 인터럽트

인터럽트 우선순위

인터럽트 도중이라도 더 높은 우선순위를 갖는 인터럽트가 발생하면 해당 인터럽트가 우선적으로 처리됩니다. 기본적으로는 외부 인터럽트가 우선적으로 처리된 뒤에 내부 인터럽트가 처리됩니다. 구체적인 순위는 다음과 같습니다.

1. 외부 인터럽트
2. 프로그램 검사 인터럽트
3. 슈퍼바이저 콜
4. I/O 인터럽트

인터럽트 회선개수

인터럽트를 받아들이는 회선의 개수에 따라 구조적 명칭이 달라집니다.

• 단일 회선 방식

모든 인터럽트가 하나의 회선을 통해 들어옵니다. 이 경우에는 CPU가 인터럽트를 처리할 수 있는 서비스 루틴의 주소를 알아낼 수 있도록 힌트를 함께 주어야 합니다. 서비스 루틴의 주소를 알아내는 방식에 따라 폴링 방식 또는 벡터 방식으로 나뉩니다.

폴링 방식 :

폴링 방식에서 인터럽트가 발생하면 인터럽트의 원인이 되는 디바이스의 인터럽트 플래그가 1로 설정됩니다. CPU가 주기적으로 인터럽트 회선을 검사하다가 인터럽트를 감지하면 인터럽트 플래그가 1로 설정된 디바이스를 찾아내어, 해당 디바이스가 미리 정의한 서비스 루틴을 실행합니다. 구현하기 쉽지만, 일정 주기마다 검사해야 하기 때문에 리소스를 많이 잡아먹고 주기에 따른 딜레이도 있습니다.

벡터 방식 :

벡터 방식에서 인터럽트가 발생하면 인터럽트를 처리할 수 있는 서비스 루틴의 주소가 함께 전달되며, CPU가 인터럽트 신호를 받으면 함께 전달된 서비스 루틴을 실행합니다.

• 다중 회선 방식

각각의 인터럽트가 자신만의 회선을 통해 들어옵니다. CPU가 인터럽트의 원인을 즉시 판별할 수 있으나 회로 복잡도가 증가합니다.

• 혼합 회선 방식

위의 두 방식이 혼합된 형태입니다.

메모리 적재

폰 노이만 구조

저장된 프로그램(Stored-Program)개념이 도입된 구조입니다. 모든 프로그램과 데이터는 메모리에 올라오고 나서야 사용할 수 있습니다. 그러나 대용량 데이터 또는 프로그램은 메모리에 올라오는 과정에서 병목이 발생할 수 있는데 이것을 폰 노이만 병목이라고 부릅니다.

적재와 저장

CPU가 한번에 읽고 쓸 수 있는 용량단위를 워드라고 부릅니다. CPU가 Device에서 하나의 워드를 읽어오는 것을 적재라고 하며, CPU가 Device에 하나의 워드를 쓰는 것을 저장이라고 합니다. 이것들은 I/O 인터럽트에 의해 발생하며 CPU가 알맞은 서비스 루틴을 실행해야 하기 때문에 CPU 독점적인 작업이라는 것을 의미합니다. 쉽게 말하자면, 인터럽트를 처리할 서비스 루틴도 하나의 프로그램이기 때문에 CPU가 다른 작업을 진행할 수 없다는 것입니다.

직접 메모리 접근 (DMA)

적재와 저장이 발생하면 그 동안 CPU는 다른일을 못한다라는 것을 이해하셨을겁니다. 이런 상황에서 대용량 데이터 입출력이 발생한다면 그 동안 다른일을 하지 못하니 엄청난 손실이 발생하겠죠. 따라서 CPU의 통제에서 벗어난 입출력 방식이 개발되었으며 이것을 직접 메모리 접근이라고 부릅니다.

DMA는 CPU가 I/O 서비스 루틴을 수행하지 않아도 Device와 데이터를 주고받을 수 있습니다. DMA 처리기가 대신 I/O 서비스 루틴을 실행해주기 때문이죠. DMA 시작 인터럽트가 발생하면 CPU가 해당 Target Device의 입출력 제어권을 DMA 처리기에 넘기고 자신은 다른 작업을 수행합니다.

DMA가 끝나면 DMA 처리기는 CPU에게 부여받은 특정 디바이스의 입출력 제어권을 돌려줘야 하겠죠. 제어권의 반환은 DMA 종료 인터럽트 서비스 루틴에 의해 수행됩니다.

제어권 관리

이중 동작 모드

커널과 일반 프로그램의 실행을 명확히 구분할 수 있어야 합니다. 권한이 다르게 부여되어야 하기 때문이죠. 일반 프로그램이 커널의 권한을 취득하는 것은 명백한 해킹 시도임을 알아야 합니다. 이러한 기능은 모드 비트에 의해 구분됩니다.

• 커널 모드 : 모드 비트가 0
• 일반 모드 : 모드 비트가 1

독점 방지 타이머

커널이 아닌 프로그램이 CPU를 독점할 수 없도록 보장하는 기능입니다. 타이머의 값이 음수가 되었을 때 인터럽트가 발생하며 강제적으로 문맥 교환(Context Swtiching)을 일으킵니다. 문맥 교환을 일으킨 뒤에 다시 초기값으로 재설정됩니다.

처리기 구조

처리기(CPU)는 만들어진 목적에 따라 명칭이 나뉩니다.

• 범용 처리기 : 다양한 목적으로 사용될 수 있는 처리기. ex) CPU
• 전용 처리기 : 특수한 목적을 위해 사용되는 처리기
  • DMA 처리기 : 입출력 담당.
  • 키보드 처리기 : 키보드 신호 해석 담당.

다중 처리기

시스템은 범용 처리기 개수에 따라 명칭이 나뉩니다.

• 단일 처리기 시스템 : CPU가 하나만 있는 시스템.
• 다중 처리기 시스템 : CPU가 여러개 있는 시스템.

다중 처리기 시스템의 강점을 나열해보면 다음과 같습니다.

1. 처리량 증가

CPU가 여러개 있으니 동일 시간당 처리량이 증가하겠죠. 그렇지만 여러개의 CPU를 감독하는 과정에서 약간의 오버헤드가 있으므로 처리량이 항상 N배로 증가하는 것은 아닙니다.

2. 규모의 경제

주변장치를 공유할 수 있어 비용이 절약됩니다. 단일 처리기 시스템이였다면, 각 시스템 마다 여러개의 주변장치가 필요해지겠죠,

3. 신뢰성 증가

어떤 CPU가 고장나더라도 다른 CPU가 있으므로 시스템이 정지하지 않습니다. 처리량이 좀 줄어드는 것은 어쩔 수 없지만, 처리기 중 하나가 고장나는 것이, 전체 시스템이 정지하는 것 보다 훨씬 낫습니다. 이것을 결함 허용(fault tolerant)라고 합니다.

다중 처리기 시스템의 분류

여러개의 CPU가 동등한 역할을 맡았는지 여부에 따라 명칭이 나뉩니다.

• 대칭적 시스템 : 모든 CPU가 동등한 역할을 수행.
• 비대칭적 시스템 : 하나의 CPU가 다른 CPU를 감시하고 작업을 분배하는 역할을 수행.

다중 처리기 시스템은 동일한 메모리를 공유하면서(레지스터와 캐시는 각각의 처리기 마다 달려있으므로 제외) 동일 프로그램을 실행해야 하기 때문에 하드웨어 제어권 및 어떤 처리기가 어떤 작업을 맡을것인지결정해야 합니다. 각각의 처리기가 균등하게 작업이 분할된다면 가장 처리량이 높겠죠.

비대칭적 시스템은 이러한 역할을 하는 Master CPU를 두어 시스템을 운용합니다. 하지만 Master는 다른 작업을 맡지 않으므로 성능이 약간 하락합니다.

대칭적 시스템은 모두가 Slave CPU이므로 각각의 CPU를 온전히 사용할 수 있습니다. 그러나 특정 CPU에만 작업이 집중되는 현상이 발생할 수 있습니다.

다중 처리기 칩 (멀티코어)

요즘은 여러개의 CPU를 다는 것보다 하나의 CPU에 여러개의 코어를 넣는 것이 훨씬 효율적입니다. 서로다른 CPU간 통신보다 동일 CPU내의 서로다른 코어간 통신이 훨씬 빠르고 소비전력도 낮기 때문이죠.

클러스터 시스템

여러개의 시스템이 네트워크로 묶인 하나의 거대한 시스템을 의미합니다. 다중 처리기 시스템이 컴퓨터 1개로만 이루어진 시스템이라면 클러스터 시스템은 컴퓨터 N개가 묶인 시스템입니다. 어떤 시스템이 다운되더라도 다른 시스템이 살아 있으므로 높은 가용성을 보장할 수 있습니다. 다만, 유지보수가 어려워지며 전체 성능이 네트워크의 품질에 의해 심하게 변동됩니다.

다중 처리기 시스템과 마찬가지로 대칭형 시스템과 비대칭형 시스템이 존재합니다. 다만 비대칭형 시스템은 시스템 하나를 사용할 수 없으므로 매우 큰 손해입니다. 따라서 모든 컴퓨터를 가용할 수 있는 대칭형 시스템이 보편적으로 사용됩니다.

운영체제의 구성 요소

프로세스 관리

프로그램

프로그램은 CPU에 의해 실행되지 않으면 아무 일도 할 수 없습니다. 즉, 프로그램 그 자체는 명령어로 이루어진 단순한 데이터 덩어리이며 운영체제에 의해 자원과 다음 실행할 명령어의 주소를 가르키는 프로그램 카운터가 할당되어야만(=실행할 준비가 되어서야) 비로소 의미를 갖습니다. 즉, 프로그램은 프로그램 카운터가 없는 수동적 개체입니다.

프로세스

운영체제가 프로그램에 자원과 프로그램 카운터를 할당하여 실행할 준비가 된 것을 프로세스라고 합니다. 각각의 프로세스는 자신만의 고유 자원을 갖고, 하나 이상의 쓰레드로 구성됩니다. 즉, 프로세스는 프로그램 카운터가 존재하는 능동적 개체입니다.

쓰레드

프로세스를 이루는 더 작은 작업의 단위입니다. 프로세스의 공유 자원에 접근할 수 있고, 각 쓰레드는 프로그램 카운터를 비롯한 자신만의 고유 자원을 갖습니다. 프로세스에서 설명했던 프로그램 카운터는 정확히는 프로세스를 이루는 쓰레드들이 하나씩 가지고 있습니다.

멀티 프로세싱

하나의 컴퓨터에서 여러개의 프로세스가 실행되는 것은 드문일이 아닙니다. 모든 프로세스(와 쓰레드)는 매우 작은 단위로 쪼개서, 번갈아 가면서 실행하는 형태로 병렬 처리될 수 있습니다.

메모리 관리

효율적인 관리 알고리즘

폰 노이만 구조에 의하면 프로그램이 실행되기 위해서는 메인 메모리에 먼저 적재되어야 합니다. 그러나 매우 큰 프로그램
의 모든 부분을 램에 적재할 수 없으므로 프로그램을 잘게 쪼개어 부분부분 적재하는데, 적재되지 않은 부분이 필요하다면 프로그램의 진행을 잠시 멈추고 Disk I/O를 발생시켜 해당 부분을 적재시킨 뒤에 다시 진행하는 방식을 사용합니다.

시간이 흘러 메모리가 꽉 찼다면 적재된 부분들 중 하나를 골라내어 삭제해야 합니다. 이 때 자주 사용하는 부분이 삭제되었다면 성능이 급감하겠죠. 운영체제는 이러한 현상을 막기 위해 효율적으로 메모리를 적재하고 삭제하는 알고리즘을 제공해야 합니다.

메모리 추적

하나의 프로세스가 메모리를 독점하면 안되므로 누가 얼만큼 어디를 마지막으로 언제 사용하고 있는지 추적해야 합니다. 이러한 정보들은 메모리가 꽉 찼을 때 필요없는 부분을 끌어내리는데 사용할 판단 지표로 사용될 수 있습니다.

저장장치 관리

파일 시스템 관리

운영체제는 다양한 보조 저장매체들을 어떻게 제어할 것 인지, 데이터의 계층 구조를 어떻게 표현할 것 인지, 다수의 사용자가 하나의 파일에 동시에 접근할 때 어떻게 통제할 것 인지 생각해야 합니다. 이러한 역할을 수행하는 지점이 파일 시스템입니다.

대용량 저장장치 관리

주 메모리는 전기가 끊기면 내용이 사라지는 휘발성 저장장치이므로 내용을 영구적으로 저장하기 위해서는 비휘발성 저장장치가 필요합니다. 데이터가 시작하는 지점도 비휘발성 매체이고, 연산 결과가 쓰여지는 지점도 비휘발성 매체이므로 운영체제는 대용량 저장장치의 성능을 효과적으로 이끌어내기 위한 전략을 제공해야 합니다. ex) 디스크 스케쥴링

캐싱

캐시는 매우 빠르지만 가용량이 매우 적은 휘발성 메모리입니다. 따라서 빈번하게 요구되는 데이터가 캐싱되어야만 전체 성능의 향상을 노릴 수 있습니다. 운영체제는 캐싱의 성능을 효과적으로 이끌어내기 위한 전략을 제공해야 합니다. ex) 캐싱할 데이터 선택 전략

입출력 시스템

사용자는 단순히 장치가 있다고만 알고 있어야 하며, 해당 장치의 세부적 또는 물리적인 특성은 오직 드라이버만이 알고 있어야 합니다. 운영체제는 다양한 장치들을 관리하는 시스템과, 장치들이 서로 통신할 수 있도록 인터페이스를 제공해야 합니다.

전용 시스템

범용 시스템과 달리 특정 목적만을 이루기 위해 제작된 시스템을 전용 시스템이라고 합니다.

실시간 임베디드 시스템

사용자 인터페이스가 없거나 극도로 제한된 시스템입니다. 장치의 상태를 감시하는데 초점이 맞춰져 있으며, 필요에 따라 정해진 패널에 데이터를 렌더링합니다. ex) 자판기, 전자레인지, 자동차 블랙박스

멀티미디어 시스템

동영상의 처리를 전문적으로 하는 시스템. 시스템이 다루는 범위가 텍스트만이 아니라는 것을 보여줍니다.

휴대용 시스템

휴대 장치에서 사용되는 운영체제입니다. 대체로 데스크탑보다 성능도 낮고, 화면도 작지만 편리성이 이러한 단점들을 상쇄합니다. 소모 전력량과 같이 일반적으로 고려되지 않는 특수한 문제에 대해 고민해야 합니다.

계산 환경

전통적 환경

옛날에는 단일 시스템만을 사용하여 계산을 진행했습니다. 사용자가 컴퓨터에 앉아 대화형 터미널을 통해 데이터를 입력하면, 계산을 완료한 후 파일이나 터미널에 출력합니다. 효율적으로 사용하기 위해 서로 컴퓨터를 이용하는 시간을 협의해야 했습니다.

클라이언트-서버 컴퓨팅

PC가 보다 강력해지고 가격도 낮아짐에 따라 계산 컴퓨터(= 중앙 시스템) 앞에서 줄을 설 필요가 없어졌습니다. 중앙 시스템에 연결된 주변장치를 통해 수행되었던 사용자 인터페이스의 기능들이 클라이언트 PC와 네트워크로 인해 대체되었습니다.

피어-피어 컴퓨팅

클라이언트-서버 구조는 계산하는 컴퓨터와 접속하는 컴퓨터로 나눠져있지만 피어 구조는 모두가 평등하게 계산하는 컴퓨터로 이루어져있습니다. 다만 피어 네트워크에 참가되어 있어야 하며, 다른 피어를 찾는 전략이 정의되어 있어야 합니다. 보통 다음 두가지 전략 중 하나를 사용합니다.

1. 가용 피어 목록을 관리하는 중앙 서버를 만듭니다.
2. 모든 네트워크에 메세지를 날려서 반응이 올 때까지 기다립니다. 이 경우, 특수한 프로토콜을 설계해야 합니다.