3-1. 운영체제의 구조와 역할 및 컴퓨터의 구조

2022.09.19 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 1-1. 디자인 패턴(1)

2022.09.20 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 1-1. 디자인 패턴(2)

2022.09.20 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 1-2. 프로그래밍 패러다임(함수형,객체지향,절차적프로그래밍)

2022.09.22 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 2-1. 네트워크의 기초(토폴로지&성능분석 명령어)

2022.09.23 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 2-2. TCP/IP 4계층 모델

2022.09.27 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 2-3. 네트워크 기기(스위치 등)/IP주소

2022.10.02 - [소소한 CS 지식/면접을 위한 CS 전공지식 노트] - 2-4.HTTP

운영체제(Operating System)란? 
사용자와 컴퓨터 하드웨어 간의 중간관리자 역할로 사용자에게 편리한 인터페이스 환경(GUI)를 제공하고,
컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리하는 소프트웨어

사용자와 응용 프로그램은 OS 위에서 작업된다.
firmware(펌웨어): 소프트웨어와 하드웨어의 결합 형태로, 운영체제를 부르는 또 다른 말

운영체제가 필요한 이유

각 하드웨어나 응용 프로그램들은 스스로 실행될 수 없기 때문

• I/O 장치는 사용자의 움직임대로 컴퓨터 화면에 나타나는 것을 혼자 할 수 없다.
• 메모리의 기능은 파일이나 프로그램을 저장하는 것인데 어떤 파일을 어떻게, 어디에 저장하는지를 혼자 할 수 없다. 
• 저장매체는 컴퓨터의 어디에 어떻게 저장되어야 하는지 모른다.

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3-1. 운영체제의 구조와 역할 

1-1. 운영체제의 구조

운영체제는 크게 사용자와 응용 프로그램에 인접해 커널에 명령을 전달하고 실행 결과를 돌려주는 '인터페이스'와 운영체제의 핵심 기능을 모아놓은 '커널' 두 부분으로 나뉜다. 

운영체제: GUI, 시스템콜(호출), 커널, 드라이버

• 운영체제의 성능은 커널이 좌우한다. 
• GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있다. 

 

운영체제 구조

인터페이스	커널에 사용자의 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자에게 알려주는 역할을 한다.
커널(Kernel)	운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.
GUI (Graphical User Interface)	사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해준다.
CUI (Character User Interface)	그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
드라이버	하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

1. 시스템콜(System Call) 

유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 하는 것

• 커널은 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단한다.
• 하드웨어 자원에 접근하거나 운영체제가 제공하는 서비스를 이용하려면  '시스템콜(시스템 호출)'이라는 인터페이스를 이용해야한다. 

 

'직접 접근'과 '시스템 호출 통한 접근'

직접 접근	시스템 호출을 통한 접근
두 응용 프로그램이 자신이 원하는 위치에 데이터 저장 가능	직접 하드디스크에 데이터를 저장하지 않고 커널이 제공하는 write( ) 함수를 사용해 데이터 저장을 요청
(1) 다른 사람의 데이터를 삭제할 수도 있고, 데이터가 다른 사람에 의해 삭제될 수도 있다. (2) 동시접속 때문에 데이터 중복에 문제가 생길 수도 있음	응용 프로그램은 데이터가 어디에 어떻게 저장되는 지 모른다. 그래서 read( ) 함수로 시스템 호출을 이용해 가져와야 한다. => 컴퓨터 자원을 관리하기 수월

• 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(software interrupt)을 발생시키면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다. 

ex) I/O 요청인 fs.readFile( )이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동한다. 
1. 이 때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.
2. 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다. 

 

I/O 요청

입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

시스템콜은 하나의 추상화 계층이기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 크게 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다.

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modebit

현재 CPU 제어가 운영체제인지 사용자 프로그램인지 구분해주는 bit (사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치)

• 시스템콜이 작동될 때 modebit을 통해 하드웨어 적으로 두 가지 모드의 operation 지원(유저 모드와 커널 모드 구분)
• modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다.
• 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. 

 

1 유저 모드	유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
	유저 모드일 경우 시스템콜을 못하게 막아서 한정된 일만 가능
0 커널 모드	모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

modebit의 수행순서

1. Intertupt나 Exception 발생 시 시스템콜을 호출하고 하드웨어가 modebit를 0(커널 모드)로 바꾼다. 
2. 사용자 프로그램에게 CPU를 넘기기 전에 mdoebit를 1(유저 모드)로 바꾼 후 이후 로직을 수행한다.

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2. 드라이버

응용 프로그램과 커널의 인터페이스	하드웨어와 커널의 인터페이스
시스템 호출	드라이버

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1-2. 운영체제의 역할 

자원 관리 기능

운영체제가 중간에서 자원들을 알맞는 순서로 응용프로그램들에게 분배하고 다시 회수하는 작업으로 자원들을 관리한다. 

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
• 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
• 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
• 입출력 장치 관리: I/O 디바이스인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

자원(시스템) 보호 

운영체제는 미숙한 사용자나 악의적인 사용자로부터 자원을 보호한다. (ex. 시스템 호출)

이를 위해 사용자들이 컴퓨터의 메모리에 직접 접근하는 것을 차단하고 운영체제 스스로 관리한다.

인터페이스 제공

하드웨어 인터페이스와 사용자 인터페이스를 제공하여 유저가 편리하게 사용하도록 지원한다.

하드웨어 인터페이스	사용자 인터페이스
마우스, 키보드, 모니터 등을 제조사에 상관없이 사용자가 사용할 수 있게 호환성을 보장하는 역할	운영체제를 사용자가 편리하게 이용할 수 있도록 사용자 인터페이스 제공을 한다. (ex. GUI)
운영체제는 드라이버라는 하드웨어 인터페이스를 설치해 어떤 제품이던지 사용자에게 plug & play 할 수 있게 한다.

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1-3. 컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. 

크게보면,  [연산을 담당: CPU + 기억을 담당: Memory] + [I/O device]로 되어있다. 

컴퓨터 시스템의 구조

 

1. CPU(Central Processing Unit): 중앙처리 장치

컴퓨터를 통한 연산과 수행, 프로그램을 실행하는 컴퓨터의 핵심 장치이며, 제어장치, 레지스터,산술논리연산장치로 구성되어 있다. 

• interrupt request line을 통해 interrupt 신호를 감지하고 interrupt에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행한다. 
• CPU는 modebit을 통해 지금 실행되는 것이 운영체제(0)인지 사용자 프로그래밍(1)인지 구분하게 된다. 
• 관리자의 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.
• CPU 내부에는 인터럽트 라인(interrupt line), 레지스터(registers), mode bit가 존재한다.

제어장치(CU, Control Unit)

컴퓨터 시스템을 통제하고, 프로그램의 연산을 실행하고 처리하는 가장 핵심적인 컴퓨터의 제어장치

• 주기억 장치에 저장되어 있는 명령어를 순서대로 호출하여 해석하고, 제어 신호를 발생시켜 컴퓨터의 각 장치를 동작하도록 한다.
• 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터(register)

CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치

• CPU안에서 연산을 처리하기 위해 데이터를 저장하는 공간 
• CPU와 직접 연결되어 있어서 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.
• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치(ALU: Arithmetic and Logical Unit)

명령어를 실행하기 위한 마이크로 연산을 수행하는 장치

• 연산에 필요한 자료를 입력받아 산술, 논리, 관계, 이동, 연산 등 다양한 실제적 연산을 수행하는 장치(즉 제어 장치가 명령을 하면 계산해 주는 역할)

ex) CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 과정 cpu의 연산 처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고 레지스터에도 로드한다. 
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 계산한 값을 저장한다.

인터럽트(Interrupt)

컴퓨터에서 발생한 이벤트를 CPU에게 보내는 신호로 인터럽트가 발생하면 CPU는 하던 작업을 멈추고 즉시 해당 인터럽트를 처리해야 한다.

• (1) 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, (2) 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, (3) 프로세스 오류 등으로 발생한다. 
• 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
• 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행된다.
• 디스크에서 뭔가 읽는다던가, 키보드에서 입력을 받는 등의 작업이 완료되면 interrupt line으로 알린다.

인터럽트 핸들러 함수(Interrupt Service routine): 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수(커널 함수)
커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq( )를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

인터럽트 벡터: 1번 인터럽트가 들어오면 어떤 함수인지, 2번 인터럽트가 들어오면 어떤 함수를 실행해야 하는지 이에 해당하는 주소

 

하드웨어 인터럽트	소프트웨어 인터럽트
키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트(물리적 신호를 CPU로 직접 전송)	트랩(trap)이라고도 한다. (1) 프로세스 오류(Exception)일 때,  (2) 시스템콜:프로그램이 커널 함수를 호출할 때 발생

2. DMA(Direct Memory Access) Controller

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치

• I/O Device가 처리한 일이 local Buffer에 쌓이면 Interrupt가 발생하고, CPU가 내용을 읽어 Memory에 복사하게 된다. 
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담한다.
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다. (Memory Controller는 CPU와 DMA 중 어떤 것이 먼저 접근할 지를 중재해준다.)

local buffer

Device Controller에 있는 장치로부터 들어오고 나가는 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리

3. Device Controller

컴퓨터와 연결되어 있는 각각의 I/O 장치 유형을 관리하는 일종의 작은 CPU

• 제어 정보를 위해 control register, status register를 가진다.
• 디바이스의 정보를 담기위한 local buffer를 가진다.(일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어난다.

DMA&Device Controller의 작동순서

1. device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알린다.
2. CPU가 local buffer에 접근해 데이터를 받아온다.
3. 이 때 CPU가 interrupt를 너무 많이 당하는 현상이 발생한다면 CPU가 비효율적으로 작동한다. 
4. 그래서 I/O 장치의 interrupt가 발생했을 때 CPU가 데이터 전송을 하는 것이 아닌 DMA가 메모리에 직접 접근해 데이터 전송을 도맡아 처리를 해서 데이터를 메모리에 카피해준다.
5. 즉, CPU는 데이터 전송의 시작과 끝 부분에만 관여를 하고, DMA가 데이터 전송을 담당한다.
6. 작업이 끝났다면 DMA는 CPU에 interrupt를 보냄과 동시에 메모리에 접근하는 경우가 발생할 수 있기 때문에 이를 Memory controller가 처리한다.

4. 메모리(Memory)

데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치(CPU의 작업공간)

• 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다.
• CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다.
• 공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기다. 즉 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수있다. 

5. 타이머(timer)

특정 프로그램이 CPU에 할당된 시간 이후에 독점하는 것을 막기 위한 하드웨어

• 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 건다. 
• 정해진 시간이 흐른 뒤 운영체제에게 제어권이 넘어가도록 인터럽트를 발생시킨다. 

타이머의 동작

1. 컴퓨터를 시작하면 처음에 운영체제가 CPU를 가지고 있다가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨준다.
2. 이 때 그냥 넘겨주지 않고 Timer에 값을 세팅하고 넘겨주게 된다.(운영체제에서 프로그램뿐만 아니라, 프로그램에서 다른 프로그램도 마찬가지)
3. 클릭 틱 때마다 1씩 감소하고, 0이 되면 타이머 인터럽트가 발생한다. 

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[CS/OS] 1. 운영체제(OS) 개요

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[OS] 운영체제의 구조

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중앙처리장치란? CPU란? central processing unit, 제어장치, 연산장치, 레지스터

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02 컴퓨터의 구성요소와 배경지식 | CloudStudying

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💻 KOCW-OS-2: System Structure & Program Execution 1

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운영체제의 정의와 역할

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운영체제와 기능