[운영체제] 🦕 Operating System: Concepts Ch.1-1

1. 서론

운영체제의 역할

• 컴퓨터 하드웨어를 관리하는 프로그램
• 응용 프로그램을 위한 기반 제공
• 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 사이에서 중재자 역할 수행

위와 같은 일을 수행하기 위해서 다양한 방법이 존재한다.

• 대형 컴퓨터의 운영체제는 주로 하드웨어의 이용을 최적화하는데 주를 둠
• 퍼스널 컴퓨터 운영체제는 복잡한 게임, 비즈니스 응용을 지원함
• 휴대용 컴퓨터 운영체제는 사용자가 프로그램을 수행하기 위해 컴퓨터와 쉽게 인터페이스 할 수 있는 환경을 제공

따라서 어떤 운영체제는 일반인이 사용하기에 편하도록 설계되었고 일부는 효율성에, 일부는 이들의 조합으로 설계되었다.

1.1 운영체제가 할 일

컴퓨터 시스템의 네 가지 구성 요소

• 하드웨어: 중앙 처리 장치(CPU), 메모리, I/O 장치로 구성되어 기본 계산용 자원 제공
• 응용 프로그램: 워드 프로세서, 스프레드시트, 컴파일러, 웹 브라우저 등 사용자의 계산 문제를 해결하기 위해 이들 자원이 어떻게 사용될지 정의
• 운영체제: 다양한 사용자를 위해 다양한 응용 프로그램 간의 하드웨어 사용을 제어하고 조정
• 사용자

운영체제는 정부와 유사하다. 운영체제는 정부처럼 그 자체로는 유용한 기능을 수행하지 못하지만, 다른 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있는 환경을 제공한다. 운영체제의 역할은 사용자와 시스템 두 관점으로 살펴볼 수 있다.

1.1.1 사용자 관점(User View)

컴퓨터에 대한 사용자의 관점은 사용되는 인터페이스에 따라 달라진다.

1. 모니터, 키보드, 마우스로 구성된 PC 앞에서 작업하는 경우
   • OS는 대부분 사용의 용이성을 위해 설계되고, HW와 SW 자원이 어떻게 공유되느냐(Resource utilization)는 신경쓰지 않음
2. 대형 컴퓨터나 미니 컴퓨터에 연결된 터미널에 앉아있는 경우
   • 사용자들이 자원을 공유하고 정보를 교환하므로 OS는 자원 이용을 극대화하도록 설계됨
3. 워크스테이션과 서버의 네트워크에 연결된 워크스테이션에 앉아있는 경우
   • OS는 개인의 사용 용이성과 자원 이용 간에 적절한 조화를 이루도록 설계

1.1.2 시스템 관점(System View)

1. 운영체제는 자원 할당자(Resource allocator)
   • 컴퓨터의 관점에서 OS는 하드웨어와 가장 밀접하게 연관된 프로그램
   • CPU 시간, 메모리 공간, 파일 저장 공간, IO장치 등의 자원 관리자로 동작하고, 작업을 위해 특정 프로그램과 사용자에게 필요한 자원을 할당
2. 운영체제는 제어 프로그램(Control program)
   • 에러를 막기 위해 프로그램 수행 제어, 입출력 장치의 제어, 작동에 관여

1.1.3 운영체제의 정의

운영체제에 대한 완벽한 정의는 없다. 운영체제는 유용한 컴퓨터 시스템을 만드는 과정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 적절한 방법이기 때문에 존재한다.

• 컴퓨터 시스템의 근본 목적인 사용자 프로그램을 실행하고, 문제의 해결하기 위해 컴퓨터 하드웨어가 제작됨
• 순수 하드웨어만으로는 사용이 어려워 응용 프로그램이 개발됨
• 다양한 프로그램은 IO장치의 통제와 같은 공통 연산이 필요한데 자원을 제어하고 할당하는 공통 기능을 하나의 소프트웨어로 통합하기 위해 운영체제가 제작됨

보다 일반적인 정의로 운영체제는 컴퓨터에서 항상 수행되는 프로그램으로 일반적으로 커널이라고 불린다.

1.2 컴퓨터 시스템의 구성(Computer System Organization)

1.2.1 컴퓨터 시스템 연산(Computer-System Operation)

Computer Startup

• 컴퓨터가 구동을 시작하기 위해선 부트스트랩 프로그램(Bootstrap Program) 이라는 초기 프로그램이 적재됨
• 이것은 펌웨어라고 알려져 있는 컴퓨터 내의 ROM(Read-Only Memory)나 EEPROM에 저장되어 있음
• CPU 레지스터로부터 장치 제어기, 메모리 내용 등을 포함한 시스템의 모든 면을 초기화함
• 부트 스트랩 프로그램은 운영체제의 커널을 찾아 메모리에 적재하고 수행을 시작함 -> 사용자에게 서비스 제공

Computer System Organization

• 현대의 컴퓨터 시스템은 공유 메모리(shared memory)에 대한 접근을 제공하는 공통 버스에 의해 연결된 여러 개의 장치 제어기(device controller)와 하나 이상의 CPU로 구성되어 있음
• 각 장치 제어기는 디스크 드라이브, 오디오 장치, 비디오 디스플레이 등의 특정 장치를 관리하고 있으며 Input과 Output의 속도가 달라 local buffer를 가짐
• CPU는 메인메모리에서 장치 제어기의 lcoal buffer로 데이터를 이동함
• CPU와 장치 제어기는 메모리 사이클을 얻기 위해 경쟁하며 병렬 수행될 수 있음
• 공유 메모리에 대한 질서 있는 접근을 보장하기 위해 메모리 제어기가 제공되며, 메모리 접근을 동기화 함

Interrupts

Event가 발생하면 하드웨어나 또는 소프트웨어로부터 발생한 인터럽트에 의해 신호가 보내진다. 컴퓨터는 여러 작업을 동시에 실행하는데 당장 처리해야 하는 일이 생겨 기존의 작업을 잠시 중단해야하는 경우 인터럽트 신호를 보낸다. 이 때 커널은 작업을 멈추고 인터럽트를 처리한 뒤 기존 작업으로 돌아온다.

• 하드웨어는 어느 순간이든 시스템 버스를 통해 CPU에 신호를 보내 인터롭트를 발생시킬 수 있음
• 소프트웨어는 System call을 실행하여 인터럽트를 발생시킬 수 있고 이를 트랩(Trap) 또는 예외(Exception)라고 부르며 오류나 사용자 요청으로 인해 발생함

Common Functions of Interrupts

• CPU가 인터럽트되면 CPU는 하던 일을 중단하고, 고정된 위치로 실행을 옮김
• 이 위치는 인터럽트 벡터(Interrupt Vector)에 저장되어 있으며, 인터럽트 벡터는 인터럽트를 처리할 수 있는 서비스 루틴(Service routine)들의 주소를 가지고 있는 공간
• 인터롭트는 일반적으로 모든 서비스 루틴의 주소를 포함하는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트를 처리할 수 있는 인터럽트 서비스 루틴으로 제어 권한을 전송함

Interrupt Handling

• 현재 운영체제들은 인터럽트 주도적(Interrupt driven)임
• 인터럽트는 적절한 서비스 루틴으로 제어를 전달하기 위해 인터럽트 정보를 조사하는 일반적인 루틴을 호출하고 이 루틴은 인터럽트 고유의 핸들러(handler)를 호출함

1.2.2 저장 장치 구조

CPU는 명령어를 단지 메모리로부터 가져올 수 있으므로 프로그램을 수행하기 위해선 프로그램이 반드시 메모리에 있어야 하며 커널이 이것을 메모리에 할당해 실행한다. 이처럼 모든 프로그램은 메인 메모리(RAM)에 로드되어 실행된다. 컴퓨터는 ROM, EEPROM 등 다른 형태의 메모리도 사용하는데 ROM은 변경할 수 없으므로 부트스트랩 프로그램 같은 정적 프로그램을 저장한다. EEPROM은 변경할 수 있으나 자주 변경할 수 없으므로 대부분 정적 프로그램을 저장한다. 스마트폰은 공장에서 설치한 프로그램을 사용하기 위해 EEPROM을 사용한다.

• Load: 메인 메모리(RAM)으로부터 CPU 내부의 레지스터로 한 바이트 또는 한 워드를 옮김
• Store: 레지스터의 내용을 주 메모리로 옮김

Main Memory

• 보통 RAM(Random-Access Memory)라고 부름
• DRAM(Dynamic RAM)이라고 불리는 반도체 기술로 구현됨
• 메인 메모리는 모든 필요한 프로그램과 데이터를 영구히 저장하기에는 너무 작음
• 메인 메모리는 전원이 공급되지 않으면 내용을 잃어버리는 휘발성 저장장치

Secondary Storage

• 메인 메모리의 위와 같은 특성때문에 메인 메모리의 확장으로 보조 저장 장치 제공
• 비휘발성 기억장치(Non-volatile): 자기 디스크(Magnetic disk), 광학 디스크(Optical disk), 자기 테이프(Magnetic tapes), SSD(Solid-State Disk) 등
• 휘발성 기억장치(Volatile): 캐시(Cache), 레지스터(Register) 등

Caching

• 하드웨어, 운영체제, 소프트웨어 등 컴퓨터의 여러 레벨에서 수행되는 중요한 원칙
• 사용 중인 정보를 느린 저장소에서 빠른 저장소로 일시적으로 복사함
• 정보가 있는지 확인하기 위해 빠른 저장소(캐시)를 먼저 확인함
• 캐시에 존재하지 않는 경우 캐시에 데이터를 복사하여 캐시에서 사용함

1.2.3 입출력 구조

저장 장치는 컴퓨터 내의 여러 형태의 입출력 장치 중 하나이다. 장치 제어기(device controller)는 자신이 제어하는 주변 장치와 자신의 로컬 버퍼 저장 장치 사이의 데이터 전송을 담당한다. 통상적으로 운영체제는 각 장치 제어기마다 디바이스 드라이버를 가지고 있다.

IO 연산을 위해 디바이스 드라이버는 장치 제어기의 적절한 레지스터에 필요한 값을 적재한다. 장치 제어기는 “키보드에서 한 문자를 읽어오라” 등의 취할 동작을 결정하기 위해 레지스터의 내용을 조사한다. 제어기는 장치로부터 자신의 로컬 버퍼로 데이터 전송을 시작하고 데이터의 전송이 완료되면 완료했음을 인터롭트를 이용해 디바이스 드라이버에게 통보한다. 디바이스 드라이버는 제어를 운영체제에게 반환한다. => CPU를 거쳐 메모리에 로드하는 방식

DMA(Direct Access Mememory)

위의 인터롭트 구동 방식의 입출력은 적은 양의 데이터를 전송하는 데에는 문제가 없으나 디스크 입출력과 같은 대량의 데이터를 전송하는 데에는 높은 오버해드를 초래한다.

• CPU의 개입없이 메모리로부터 장치 제어기 자신의 버퍼 장치로 또는 버퍼로부터 메모리로 데이터 블록 전체를 전송함
• 한 바이트마다 인터럽트가 발생하는 것이 아닌 블록 전송이 완료될 때마다 데이터 이동이 완료되었다는 한번의 인터롭트만 발생
• 장치 제어기가 전송 작업을 수행하고 있는 동안 CPU는 다른 작업을 수행

1.3 컴퓨터 시스템 구조 (Computer-System Architecture)

1.3.2 Multiprocessor System

멀티 프로세서는 2개 이상의 프로세서를 가지며 컴퓨터 버스, 때로는 클락, 메모리와 주변 장치를 공유한다.

• Multiprocessor: CPU가 여러 개
• Multi Core: 하나의 CPU에 여러 개의 코어

멀티프로세서 시스템의 장점

• 증가된 처리량(throughput): 짧은 시간동안 많은 일 수행
• 규모의 경제: 주변 장치를 공유하기 때문에 여러 대의 싱글 프로세서를 사용하는 것보다 비용을 줄일 수 있음
• 증가된 신뢰성: 하나의 프로세서가 고장나도 다른 프로세서가 작동 중임. 이렇게 성능은 나빠지지만 작동은 가능한 것을 우아한 퇴보 (graceful degradation) 라고 함. 또한 한 구성요소의 고장에도 불구하고 작동을 계속할 수 있는 것은 우아한 퇴보를 넘어 결함 허용(fault tolerant)라고 함.

멀티 프로세서 시스템의 형태

• 비대칭적 다중 처리(asymmetric multiprocessing): 하나의 주 프로세서가 시스템을 제어하고 다른 프로세서들은 주 프로세서의 명령을 수행하거나 미리 정의된 테스크를 수행함. 부하 분산(load balancing)은 효율적이지만 주 프로세서가 작동을 멈추면 부하 프로세서들 또한 작동을 멈춤.

• 대칭적 다중 처리(symmetric multiprocessing): 프로세서 간의 주종 관계가 없으며 하나의 메모리를 공유함. 대부분의 컴퓨터 시스템 구조.

위의 사진에서 볼 수 있듯이 각 프로세서는 자신의 레지스터 집합과 캐시를 갖는다.

Dual-core

단일 코어를 가진 여러 개의 칩보다 효율적이며, 이는 칩 내의 통신이 칩 사이의 통신보다 빠르기 때문이다. 또한 여러 개의 단일 칩보다 전력을 훨씬 덜 소모한다. 멀티 코어 시스템은 멀티 프로세서 시스템인 반면 모든 멀티 프로세서 시스템이 멀티 코어인 것은 아니다.

각 코어는 자신의 레지스터 집합과 자신의 로컬 캐시를 갖으며 하나의 캐시를 공유하기도 한다.

1.3.3 클러스터형 시스템(Clustered Systems)

여러 개의 CPU를 모아 놓은 구조로, 둘 이상의 노드(싱글 프로세서 or 멀티 프로세서)가 하나의 일을 처리한다. 멀티 프로세서 시스템은 여러 CPU가 하나의 시스템을 이루는 것이지만 클러스터 시스템은 여러 독립적인 시스템이 모여 하나의 시스템을 이루는 것이다. 이러한 시스템은 약결합(loosely coupled)라고 간주된다. 클러스터링은 통상 높은 가용성(availability)를 제공하기 위해 사용된다. 즉 클러스트 내 하나 이상의 컴퓨터 시스템이 고장나도 서비스는 계속 제공된다.

• 대칭형: 둘 이상의 호스트들이 응용 프로그램을 실행하고 서로를 감시함. 가용한 하드웨어를 모두 사용하기 때문에 대칭형 구성이 더욱 효율적임.
• 비대칭형: 다른 컴퓨터들이 응용 프로그램을 실행하는 동안 한 컴퓨터는 긴급대기(hot-standby)모드 상태를 유지함. 서버가 고장나면 긴급 대기 모드의 호스트가 활성 서버가 됨.

클러스터 시스템은 클러스터 내의 모든 컴퓨터에서 응용을 병렬 수행할 수 있어 단일 프로세서나 SMP 시스템보다 훨씬 큰 계산 능력을 제공할 할 수 있다.