[CS] 운영체제(OS)와 컴퓨터

컴퓨터 : 하드웨어와 소프트웨어를 관리하는 운영체제와 CPU, 메모리 등으로 이루어짐.

    1. 운영체제의 역할과 구조

        1] 운영체제의 역할

            1) CPU 스케쥴링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원할당 및 반환 관리.

            2) 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당할지 관리.

            3) 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관 할 지 관리.

            4) I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터간에 데이터를 주고받는 것을 관리.

        2] 운영체제의 구조

            - 유저 프로그램과 하드웨어 사이를 운영체제라고 부름

                cf) 리눅스 서버 : GUI 없이 CUI만 있음. 

출처 : https://math-coding.tistory.com/80

* GUI : 사용자가 전자장치과 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태.

    단순 명령어가 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용 할 수 있게 해줌.

 

* 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

* CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

            1) 시스템콜 : 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스.

 

                 - 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용.

                 - 유저프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면, 올바른 요청인지 확인 후 유저모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행됨.

* I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일.

                 - 유저모드에서 파일을 읽지 않고 커널모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저프로그램의 로직을 수행.

                 => 장점 : (1) 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단 할 수 있음

                                 (2) 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호 할 수 있음

            2) modebit : 1 또는 0의 닶을 가지는 플래그 변수.

*플래그(flag) 변수 : 무언가를 기억하거나 또는 다른 프로그램에게 약속된 신호를 남기기 위한 용도로 프로그램에 사용되는 미리 정의된 비트.

                 - 시스템콜이 작동될 때 modebit을 통해 유저모드와 커널모드를 구분함.

                    ㄴ 0 : 커널 모드 / 1 : 유저 모드.

                    ㄴ 유저모드일 경우 시스템콜을 막아 한정된 일만 가능하도록 함.

* 유저모드 : 유저가 접근 할 수 있는 영역을 제한적으로 두며, 컴퓨터 자원에 함부러 침범하지 못하게 하는 모드.

* 커널모드 : 모든 컴퓨어 자원에 접근 할 수 있는 모드.

* 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할.

 

    2. 컴퓨터의 요소

       컴퓨터 : CPU, DMA 컨트로러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어짐.

        1] CPU(Central Processing Unit)

            - 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석, 실행하는 요소.

            - 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성.

            1) 제어장치(CU, Control Unit) : 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품.

                 ㄴ입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정.

            2) 레지스터 : CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킴.

                 ㄴ CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름.

                 ㄴ CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거켜 데이터를 전달.

            3) 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit) : 논리연산을 계산하는 디지털 회로.

                  ㄴ논리연산 : 두 수의 산술 연산과 베타적 논리합, 논리곱 등 

 

              1-1 ] CPU의 연산 처리

            1) 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값 로드.

            2) 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고, 산술논리연산장치에 명령.

            3) 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장함.

 

              1-2 ] 인터럽트 : 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것.

            - 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉨.

            - 키보드, 마우스 등 IO 디바리으소 링한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생.

            - 인터럽트 발생시 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨.

*인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링 하기 위한 함수.

 커널 태부의 IRQ를 통해 호출되며, request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록 할 수 있음.

            - 인터럽트간에는 우선순위 존재.

            1) 하드웨어 인터럽트 : IO디바이스에서 발생하는 인터럽트.

                 ㄴ인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행.

            2) 소프트웨어 인터럽트  : 트랩(trap)이라고도 함. 프로세스 오류 등으로 인해 발생.

 

        2] DMA 컨트롤러 : I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근 할 수 있도록 하는 하드웨어 장치.

            - CPU 부하를 막아주는 보조적 장치라고 보면 됨(CPU에 너무 많은 인터럽트가 들어오는걸 방지)

            - 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지함.

 

        3] 메모리(memory) : 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치.

            - 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고 함.

            - CPU : 계산 담담 / 메모리 : 기억 담당

        4] 타이머 : 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할

            - 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동 할 때 제한을 걸기 위해 존재.

        5] 디바이스 컨트롤러(device controller) : 컴퓨터와 연결되어있는 I/O디바이스들의 작은 CPU