운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리 - 메모리 관리
한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마만큼 할당해야 하는지 관리한다. - 디스크 파일 관리
디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다. - I/O 디바이스 관리
I/O 디바이스와 컴퓨터 간의 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
운영체제의 구조
유저프로그램이 맨 위에 있고 그 다음으로 GUI, 시스템콜,
커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조이다.
여기서 GUI, 시스템콜, 커널 드라이버 부분이 바로
운영체제를 지칭한다.
드라이버
하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
시스템콜
시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한
인터페이스이며
유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해
커널 함수를 호출할 때 쓴다.
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(Trap)을 발동하면
올바른 I/O 요청인지 확인한 후
유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어
실행된다.
예를 들어 I/O 요청인 fs.readFile() 이라는 파일 시스템의
파일을 읽는 함수가 발동했다고 가정하자.
I/O 요청
입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
이때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고,
커널 모드로 들어가 파일을 읽고
다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는
유저 프로그램의 로직을 수행한다.
이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을
차단할 수 있고
프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
위의 그림처럼 프로세스나 쓰레드에서 운영체제로
어떤 요청을 할 때
시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐
운영체제에 전달된다.
이 시스템콜은 하나의 추상화 계층이다.
그렇기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 DB와
같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을
많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는
장점이 있다.
modebit
시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서
유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
커널
운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며, 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.
유저 모드
유저가 접근할수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
커널 모드
모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다.
I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. 카메라는 켜는 프로그램이 있다고 가정하자.
만약 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 하기가 쉬워진다. 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다.
이를 위한 장치가 바로 modebit이다.
modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저모드라고 설정되며,
유저 모드일 경우에는 시스템콜을 못하게 막아서
한정된 일만 가능하게 한다.
위의 그림처럼 유저 프로그램이 카메라를 이용하려
할 때,
시스템 콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며
커널 모드로 변경 한 후
카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다.
그 이후에 modebit을 0에서 1로 바꿔서 유저 모드로
변경하고 이후 로직을 수행한다.
컴퓨터의 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머,
디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.
CPU(Central Processing Unit)
CPU는 산술논리연산장치(ALU), 제어장치, 레지스터로
구성되어 있는 컴퓨터의 장치를 말한다.
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석하여
실행하는 장치이다.
위의 그림처럼 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이
프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면
CPU(일꾼)가 이를 처리한다.
제어장치(CU, Control Unit)
제어장치는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며
데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
레지스터(Register)
레지스터는 CPU 내부에 있는 매우 빠른 임시기억장치를
가리킨다.
CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다
수십 배에서 수백 배까지 빠르다.
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에
레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
산술논리연산장치는 산술 연산과 논리 연산을
계산하는 디지털 회로이다.
CPU의 연산 처리
CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를
통해 연산하는 예는 다음과 같다.
- 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한 레지스터에도 로드한다.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
- 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 계산한 값을 저장한다.
인터럽트(Interrupt)
인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU 장치를
잠깐 정치시키는 것을 말한다.
I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0을로 숫자를 나누는
산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.
인터럽트 요청(IRQ, Interrupt ReQuest)
인터럽트 요청, 곧 IRQ는 인터럽트 신호를 처리하는데 쓰이는 컴퓨터 버스 라인의 인터럽트 행위, 또는 인터럽트 입력 라인을 가리킨다.
인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.
인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는
인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행 된다.
인터럽트 간에는 우선순위가 있고, 우선순위에 따라 실행되며
인터럽트는 HW 인터럽트, SW 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
Hardware 인터럽트
하드웨어 인터러브는 키보드를 연결한다거나
마우스를 연결하는 일 등의
I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
이때 인터럽트 라인이 설계된 이후,
순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에
시스템콜을 요청해서
원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은
로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.
Software 인터럽트
SW 인터럽트는 트랩(Trap)이라고도 한다.
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을
호출할 때 발동한다.
즉, 어떤 프로세스가 특정 시스템 기능을 사용하려고
할 때, 그 기능을 운영체제에게 요청하는 방법을 말한다.
DMA 컨트롤러
DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접
접근할 수 있도록 하는 HW 장치를 뜻한다.
CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에
CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 장치라고
볼 수 있다.
또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에
하는 것을 방지한다.
메모리(Meomory)
메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을
기록하는 장치를 말하며,
보통 RAM(Ramdom Access Memory)을 일컬어
메모리라고도 한다.
CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다.
공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기이다. 작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.
타이머(Timer)
타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고
특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다.
시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을
걸기 위해 존재한다.
디바이스 컨트롤러(Divice Controller)
디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어있는
I/O 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.
<면접을 위한 CS 전공지식 노트>
