운영체제
운영체제(OS)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다.
한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배해준다.
펌웨어 : 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것.
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
- 메모리 관리
- 디스크 파일 관리
- I/O 디바이스 관리
운영체제의 구조
운영체제에는 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 포함된다.
리눅스 서버에서는 GUI대신 CUI를 사용하기도 한다.
- GUI : 사용자 인터페이스의 한 형태로, 명령어 입력이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하여 컴퓨터와 상호작용할 수 있다.
- 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어이다.
- CUI : 그래픽 아이콘이 아닌 명령어를 입력하여 컴퓨터와 상호작용한다.
시스템콜
시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이고 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
- 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
- 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
- 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중요한 역할을 한다.
컴퓨터 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.
CPU
CPU(Central Processing Unit)는 산술 논리 연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성된 컴퓨터 장치를 말한다.
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행한다.
운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.
- 제어장치(CU, Control Unit) : 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 부품. 입출력 장치간의 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.
- 레지스터 : CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억장치. 연산속도가 메모리보다 훨씬 빠르며, CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없으므로 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
- 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit) : 덧셈,뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.
CPU 연산처리과정
제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고, 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다. 그후 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장한다.
- 인터럽트 : 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것이다.
- 인터럽트 발생 시 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행된다.
- 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두가지로 나뉜다.
하드웨어 인터럽트
하드웨어 인터럽트는 키보드나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
이때 인터럽트 라인이 설계된 후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.
소프트웨어 인터럽트
소프트웨어 인터럽트는 트랩이라고도 한다.
프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.
DMA 컨트롤러
DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치이다.
CPU 부하를 막아주고 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.
메모리
메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치이다.
보통 RAM(Random Access Memory)을 메모리라고도 한다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.
메모리가 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.
타이머
타이머는 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 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU를 말하고, 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻한다.