CS) 운영체제와 컴퓨터

1. 운영체제의 역할과 구조

 운영체제에는 크게 4가지의 역할이있습니다.

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리합니다.
2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야하는지 관리합니다.
3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리합니다.
4. I / O 디바이스 관리 : I / O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리합니다.

 

운영체제의 구조

유저 프로그램이 가장 위, 그 아래로 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조입니다. 이때, GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 운영체제로 불립니다.

유저프로그램

인터페이스( GUI, CUI )

시스템콜

커널 ( 드라이버, 파일 시스템 등 )

하드웨어

 

• GUI : 사용자 인터페이스의 한 형태
• 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
• CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

 

시스템콜

 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용합니다. 

• I / O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일입니다.
• 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어입니다.

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됩니다. 시스템 콜을 추상화 계층으로 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이있습니다. 

 시스템콜은 modebit를 이용하여 유저모드와 커널모드를 구분합니다. modebit는 1 또는 0을 가집니다. modebit는 0은 커널모드, 1은 유저모드로 설정됩니다. 

• 커널 : 운영체제의 핵심 부분으로 시스템콜 인터페이스를 제공하며 운영체제의 중추적인 역할을 합니다.
• 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드입니다.
• 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한한 모드로 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드입니다.

 

2. 컴퓨터의 요소

 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있습니다.

 

CPU

 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 부품입니다.

• 산술논리연산장치 : 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 연산과 배터적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 하는 디지털 회로입니다.
• 제어장치 : 입출력장치 간 통시능ㄹ 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정하는 장치입니다.
• 레지스터 : CPU와 직접 연결되어 있는 매우 빠른 임시기억장치입니다. CPU에서는 데이터를 저장할 방법이 없기 떄문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달합니다.

CPU에서 연산 처리하는 과정은 아래와 같습니다.

1. 제어장치에서 메모리에 계산알 값을 로드합니다.( 이때, 레지스터에서도 로드합니다. )
2. 제어장치에서 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령합니다.
3. 제어장치에서 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한값을 저장합니다.

인터럽트

 어떤 신호가 들어왔으 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것입니다. 인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됩니다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고, 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉩니다.

• 인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되는 함수입니다.
• 하드웨어 인터럽트 : 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말합니다.
• 소프트웨어 인터럽트 : 트랩( trap )이라고도 하며, 프로세스 오류등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동합니다.

 

DMA 컨트롤러

 I / O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치입니다. CPU의 부하를 줄여주며 CPU의 일을 부담하는 보조 장치입니다. 또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지합니다.

 

메모리

 메모리란 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치입니다. 보통 RAM( Random Access Memory )를 메모리라고 합니다.

 

타이머

 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 합니다. 시간이 많이 걸리는 프로그램의 실행시간을 제한 할 수 있습니다.

 

디바이스 컨트롤러

 디바이스 컨트롤러란 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU입니다. 디바이스 컨트롤러 옆에 로컬 버퍼가 있는데, 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리입니다.