1. 운영체제와 컴퓨터
⭐운영체제(OS, Operating System)
사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배
* 펌웨어(firmware) : 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것
1. 운영체제의 역할과 구조는?
운영체제의 역할
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리
운영체제의 구조
유저 프로그램
GUI ⌉
시스템콜 ㅣ ㅡㅡ> 운영체제
커널 ㅣ
드라이버 ⌋
하드웨어
시스템콜
운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동 > 올바른 요청인지 확인 > 유저모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행
장점
- 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있음
- 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음
- 네트워크 총신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있음
시스템콜 추가자료
컴퓨팅에서 시스템 호출은 컴퓨터 프로그램이 실행되는 운영 체제의 커널에서 서비스를 요청하는 프로그래밍 방식입니다. 시스템 호출은 프로그램이 운영 체제와 상호 작용하는 방법입니다 . 컴퓨터 프로그램은 운영 체제의 커널에 요청할 때 시스템 호출을 합니다. 시스템 콜은 API(응용 프로그램 인터페이스)를 통해 사용자 프로그램에 운영 체제의 서비스를 제공합니다. 사용자 수준 프로세스가 운영 체제의 서비스를 요청할 수 있도록 프로세스와 운영 체제 간의 인터페이스를 제공합니다. 시스템 호출은 커널 시스템으로 들어가는 유일한 진입점입니다. 리소스가 필요한 모든 프로그램은 시스템 호출을 사용해야 합니다.
시스템 호출이 제공하는 서비스
- 프로세스 생성 및 관리
- 메인 메모리 관리
- 파일 액세스, 디렉터리 및 파일 시스템 관리
- 디바이스 핸들링(I/O)
- 보호
- 네트워킹 등
시스템 호출 유형
- 프로세스 제어
메모리 종료, 중단, 생성, 종료, 할당 및 해제. - 파일 관리: 파일
생성, 열기, 닫기, 삭제, 읽기 등 - 장치 관리
- 정보 유지
- 의사소통
modebit
시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분
modebit은 1(유저 모드) 또는 0(커널 모드)의 값을 가지는 플래그 변수
I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동하게 해야 해킹을 막기가 쉬움
2. 컴퓨터의 요소?
CPU(Central Processing Unit)
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할
(관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리)
산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
제어장치(CU, Control Unit)
프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
레지스터
CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달
산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
CPU의 연산 처리
- 제어장치에서 메모리(+레지스터)에 계산할 값을 로드
- 레지스터에 있는 값을 계산( 산술논리연산장치한테 계산하라고 제어장치가 명령)
- 제어장치가 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장
인터럽트
- 인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 원인 : 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생
- 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수(인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수)가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행
하드웨어 인터럽트
키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
1. 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지
2. 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행
소프트웨어 인터럽트
트랩(trap)이라고도 함
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동
DMA 컨트롤러
I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아줌 (CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼)
하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지
메모리(memory)
전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 하며 기억을 담당함
메모리가 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있음
타이머(timer)
몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할
시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
디바이스 컨트롤러(device controller)
컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU