운영체제와 컴퓨터-운영체제의 역할과 구조, 컴퓨터의 요소

운영체제의 역할과 구조

-운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 줄지, 프로세스 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리

2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당 할지 관리

3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리

4. I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리

 

-운영체제 구조

여기서 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 운영체제이다. 리눅스 서버는 GUI가 없고 CUI만 있다.

 

• GUI: 사용자와 장치와의 상호 작용이 가능한 사용자 인터페이스 형태, 마우스로 클릭하면서 컴퓨터와 상호 작용할 수 있다.
• 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
• CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

-커널(kernel)

커널은 프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리와 같은 OS 핵심 기능을 모아놓은 것

 

-인터페이스

인터페이스는 커널에 사용자의 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자에게 알려주는 역할을 한다. 사용자한테는 커널보다 인터페이스가 먼저 보이기 때문에 사용자들은 인터페이스가 더 좋은 컴퓨터를 사용하려고 한다.

 

-시스템콜

시스템콜은 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다. 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다. 따라서 유저가 자원에 직접 접근하는 것을 막고 시스템 호출을 통한 접근만 허용한다.

 

fs.readFile()이라는 I/O를 요청하면 유저 모드로 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 가서 다음 로직을 수행한다. 이 과정에서 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

• I/O 요청: 입출력 함수, DB, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
• 하드웨어 인터럽트: 하드웨어적 흐름의 변화, 프로그램 외부(I/O 장치, 디스크 등)에서 발생하며, 발생 시점이 일정하지 않기 때문에 비동기적이다. 인터럽트 라인이 설계된 이후 인터럽트 실행을 중지하고 OS에 시스템콜을 요청해 원하는 장치로 가서 장치 안에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근해 일을 수행한다. 
• 트랩: 소프트웨어적 흐름의 변화, 소프트웨어 인터럽트라고도 하며, 프로그램 내부에서 일어나는 에러이다. 발생 시점이 프로그램의 일정한 지점이기 때문에 동기적이다. 즉, 고정된 영역에서 일어난다. 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

 

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떤 요청을 하면 프로세스/스레드 -> 시스템콜 -> 커널 -> OS이 과정을 통해 운영체제에 전달된다.

시스템 콜은 하나의 추상화 계층이다. 그렇기에 네트워크, DB 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

 

-modebit

시스템콜이 작동할 때 modebit로 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. modebit는 1 또는 0을 가지는 플래그 변수이다. modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저 모드이며 유저 모드는 시스템콜을 못해서 한정된 일만 가능하다.

카메라, 키보드 같은 I/O 디바이스는 운영체제를 통해 작동해야 하는데, 만약 유저 모드로 카메라가 켜지면 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수도 있다. 물론 커널 모드도 위 같은 행위를 100% 막을 수는 없지만 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다. 이런 것을 위한 장치가 modebit이다. 따라서 카메라를 이용할 때는 커널 모드인 0으로 바꿔서 실행을한다.

• 유저 모드: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두어 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
• 커널 모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
• 커널: 운영체제 핵심이자 시스템콜 인터페이스를 제공하고 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스 I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할

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컴퓨터의 요소

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

 

-CPU(Central Processing Unit)

CPU는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있으며 인터럽트에 의해 메모리에 있는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다. 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.

 

-제어장치(CU, Control Unit)

제어장치는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 부품이다. 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어를 읽고 해석해서 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

 

-레지스터

레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억 장치이다. CPU와 직접 연결되어 있어서 연산 속도가 메모리보다 수십, 수백 배는 더 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터 저장 방법이 없어서 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

 

-산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)

산술논리연산장치는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 연산을 하는 디지털 회로이다.

 

CPU 연산 처리

1. 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값 로드

2. 제어장치가 산술논리연산장치에게 레지스터에 있는 값 계산하라고 명령

3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장한다.

 

-인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 오면 CPU를 잠깐 정지하는 것을 말한다. 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 연산에서 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.

인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 백터에 가서 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간 우선 순위에 따라 실행되고 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.

• 인터럽트 핸들러 함수: 인터럽트가 발생했을 때 핸들링하는 함수, 커널 내수의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

-DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치이다. CPU에 많은 인터럽트 요청이 들어오면 부하를 막아주는 보조 일꾼이다. 그리고 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

 

-메모리

메모리는 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치이며 RAM이라고도 한다. CPU는 계산을 하고 메모리는 기억을 한다. 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

 

-타이머

타이머는 사간 안에 작업이 끝나야 하는 것이고 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

 

-디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스의 작은 CPU를 말한다. 예를 들어 마우스를 새로 연결하면 드라이버를 다운 받는데, 이 드라이버 인식을 디바이스 컨트롤러가 해준다.