📌 운영체제

서버용, PC용, 스마트디바이스용 운영체제 종류

리눅스: 오픈소스

• 왜 공개 했을까?
  • 소프트웨어는 개발에 인건비, 이후 판매에는 추가적인 재료는 많이 들지 않음
  • 특정 제품이 시장을 장악해버리면 다른 소프트웨어는 죽어버리기 때문에
  • 오픈소스를 공개하자는 의미임
  • 무료로 공개한 좋은 소스코드는 시장에서 살아남을 수 있음

window, macOS, IOS, Android: 비공개

🔍 운영체제란?

컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층이다.

컴퓨터 하드웨어 → 운영체제 → 각종 소프트웨어 + 사용자 → 사용자

협의의 운영체제(커널)

• 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분

광의의 운영체제

• 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념

📌 운영체제의 목적

컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공

• 운영체제는 동시 사용자/프록램들이 각각 독자거 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공
• 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행

IDEA → Program → Abstract Machine → Physical Machine → Result

운영체제는 시스템의 자원을 효율적으로 관리

• 프로레서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리
  • 사용자간의 형평성 있는 자원 분배
  • 주어진 자원으로 최대한의 성능의 내도록
• 사용자 및 운영체제 자신을 보호
• 프로세스, 파일, 메세지 등을 관리

IDEA → Program → Abstract Machine → OS Resource Sharing → 실행중인 프로그램들에게 짧은 시간씩 CPU를 번갈아 할당 or 실행중인 프로그램들에 메모리 공간을 적절히 분배

예로 누구한테 메모리를 먼저 줄까? 얼마나 줄까? 이런 부분에 있어 운영체제는 인간의 뇌와 비슷한 느낌을 주기도 한다. (필요할 때 메모리를 더 주게 됨)

📚 운영체제의 분류

• 동시 작업 가능 여부

  • 단일 작업(Single Tasking)

    한 번에 하나의 작업만 처리

    ex) MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음.

  • 다중 작업(Multi tasking)

    동시에 두 개 이상의 작업 처리

    ex) UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음.

• 사용자의 수

  • 단일 사용자(Single user)

    ex) MS-DOS, MS Windows

  • 다중 사용자(Multi user)

    ex) UNIX, NT server

• 처리 방식

  • 일괄 처리(batch processing)

    • 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리

    • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야함

      ex) 초기 Punch Card 처리 시스템

  • 시분할(Time Sharing)

    • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용

    • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐

      ex) UNIX

    • Interactive한 방식

  • 실시간(Realtime OS)

    • 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS

      Ex) 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로보트 제어

    • 실시간 시스템의 개념 확장

      • Hard Realtime System (경성 실시간 시스템)
      • Soft Realtime System(연성 실시간 시스템) 동영상 같은 것

• 몇가지 용어

  • MultiTaking
  • MultiProgramming
  • Time Sharing
  • MultiProcess
  • 구분
    • 위의 용어들은 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻함.
    • MultiProgramming은 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있음을 강조
    • Time Sharing은 CPI의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
  • Multiprocessor
    • 하나의 컴퓨터에서 CP(processor)가 여러 개 붙어 있음을 의미

🖥 운영체제의 예

• 유닉스(UNIX)
  • 코드의 대부분을 C언어로 작성
  • 높은 이식성
  • 최소한의 커널 구조
  • 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
  • 소스 코드 공개
  • 프로그램 개발에 용이
  • 다양한 버전
    • System V, FreeBSD, SunOS, Solaris
    • Linux (계속 업그레이드 됨)
• DOS(Disk Operating System)
  • MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
  • 단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계(주 기억 장치: 640KB)
• MS Windows
  • MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영 체제
  • Plug and Play, 네트워크 환경 강화
  • DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
  • 풍부한 지원 소프트웨어
• Handheld device를 위한 OS
  • PalmOS, Pocket PC(winCE), Tiny OS

🔍 컴퓨터 시스템 구조

CPU → DMA → timer → Disk

​ ↓. ↓ → machine

​ memory ↓ → machine

​ … …

Mode bit

사용자 프로그램의 잘못된 수행으로 다른 프로그램 및 운영체제에 피해가 가지 않도록 하기 위한 보호 장치 필요

Mode Bit을 통해 하드웨어적으로 두 가지 모드의 operation 지원

1(mode bit) 사용자모드: 사용자 프로그램 수행

0(mode bit) 모니터 모드: OS 코드 수행

• 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행 가능한 ‘특권명령’으로 규정

• Interrupt나 Exception 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈

• 사용자 프로그램에서 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

• 모니터 모드: 커널 모드, 시스템 모드로 나눠짐

  ​ interrupt/Exception (넘어가는 방법들임)

Monitor(kernel) mode ←→ user mode

​ OS sets to user mode

운영체제는 CPU를 넘겨줄 수 는 있지만 뺐어올 수는 없음 -> 그게바로 timer임 그게 바로 timer interrupt를 발생시킴 그래서 타이머에 제한 시간을 걸어둠.

즉 timer는 CPU의 독점을 막기 위해서 사용하고 있음.

모든 IO는 특권명령이다.

그렇기 때문에 CPU가 어떻게 할 수가 없으니 시스템 콜을 사용

시스템콜: 사용자 프로그램이 운영제체의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것

현대의 운영체제는 인터럽트에 의해 구동됨

⚡️ 인터럽트

• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 program counter를 save한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다.

• Interrup(넓은 의미)

  • Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
  • Trap(소프트웨어 인터럽트)
    • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
    • System call: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우

• 인터럽트 관련 용어

  • 인터럽트 벡터

    → 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음

  • 인터럽트 처리 루틴(=interrupt Service Routine, 인터럽트 핸들러)

    → 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수

⚡️Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O 장치유형을 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 Control register, status register를 가짐
  • local buffer를 가짐(일종의 data register)
• I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
• Device controller는 I/O가 끝났을 경우 interrupt로 CPU에 그 사실을 알림

Device driver(장치구동기) : OS 코드 중 각 장치별 처리루틴 → Software

• CPU가 device controller에게 부탁하는 언어임(CPU가 수행하는 코드임)
• device에 내장된 코드는 펌웨어라고 함.

Device controller(장치제어기): 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU → Hardware

실제 I/O 작업은 device controller가 직접함