운영체제와 컴퓨터
하드웨어와 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 일꾼인 운영체제 와 CPU, 메모리 등으로 이루어진 컴퓨터를 알아보자.
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
운영체제의 역할은 크게 네가지가 있다.
1.CPU 스케줄링 과 프로세스 관리:CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
2.메모리 관리:한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리한다.
3.디스크 파일 관리:디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
4.I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는것을 관리한다.
운영체제의 구조
운영체제의 구조는 다음과 같다.
유저 프로그램이 맨 위에 있고 그다음으로 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드 웨어가 있는 구조이다.
여기서 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분이 바로 운영체제를 지칭한다.
참고로 GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 존재한다.
GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용 할수 있도록 사용자가 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용 할 수 있도록 해준다.
드라이버:하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
시스템콜
시스템콜은 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓰인다.
유저 프로그램인 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
ex) I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동 했다고 하자!
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 차단 할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호 할수 있다.
I/O요청:입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일 등을 말한다.
드라이버:하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어을 말한다.
커널:운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안,메모리,프로세스, 파일시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.
컴퓨터 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.
CPU
CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다.
위의 그림처럼 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.
제어장치
제어장치(CU, Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
레지스터
레지스터 는 CPU 안에 잇는 매우 빠른 임시기억장치 를 가르킨다. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리 보다
수십 배에 수백 배까지 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
산술논리연산장치
산술 논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit) 는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산 과 배타적 논리합, 논리곱 같은 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 잇는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
- 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다.
인터럽트
인터럽트 는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다. 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.
인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라
실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
하드웨어 인터럽트
하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 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.
소프트웨어 인터럽트
소프트웨어 언터럽트는 트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
DMA 컨트롤러
DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에
CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면된다. 또한, 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
메모리
메모리(memory)는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말한다.
보통 RAM을 일컫어 메모리라고도 한다. CPU 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다.
공장에 비유하면 CPU는 일꾼이며, 메모리는 작업장이며, 작업장의 크키가 곧 메모리의 크기이다. 작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다 놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.
타이머
타이머(timer)는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.
디바이스 컨트롤러
디바이스 컨트롤러(device controller)는 컴퓨터 와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.
