[Operating System ②] 운영체제 개념 잡기

[Operating System ②] 운영체제 개념 잡기

HPC Lab 김덕수 교수님의 운영체제 강의를 정리한 내용입니다.

강의링크

목차

운영체제는 왜 필요한가?

1. 운영체제란?
2. 운영체제는 어떤 부분을 도와주는가?
3. 컴퓨터 시스템 구성도

운영체제는 어떻게 분류하는가?

1. 몇 명이 사용하는지에 따른 분류
   • 단일 사용자
   • 다중 사용자
2. 동시에 여러 프로그램(프로세스)을 실행시킬 수 있는지에 따른 분류
   • 단일 작업
   • 다중 작업
3. 프로그램을 수행하는 방식이 어떠한지에 따른 분류
   • 순차처리
   • 일괄처리
   • 시분할
   • 퍼스널 컴퓨팅
   • 병렬처리
   • 분산처리
   • 실시간

운영체제의 내부는 어떻게 구성되어 있는가?

1. 단일구조 운영체제
2. 계층구조 운영체제
3. 마이크로 커널구조

운영체제는 어떤 작업을 수행하는가?

1. 프로세스(실행 중인 프로그램) 관리
2. 프로세서(CPU) 관리
3. 메모리 관리
4. 파일 관리
5. 주변장치 입출력 관리

운영체제는 왜 필요한가?

운영체제란?

컴퓨터 하드웨어를 효율적으로 관리해서 사용자와 응용 프로그램에게 서비스를 제공하는 시스템

즉, 컴퓨터 자원들을 관리하며 사람들이 컴퓨터를 좀 더 ‘잘’ 사용할 수 있게 도와준다.

운영체제는 어떤 부분을 도와주는가?

운영체제가 수행하는 역할은 크게 4가지

1. UI => 사용자가 컴퓨터를 편리하게 사용하게 한다.
   • CUI : 과거에 사용되던 문자 기반의 인터페이스
   • GUI : 현재 많이 쓰이는 그림 기반의 인터페이스
   • EUCI : 특별한 목적을 위해 만들어진 인터페이스
   • (예) mp3에 특화된 UI
2. 자원관리 => 컴퓨터 내부의 리소스를 통제하여 효율적으로 컴퓨터를 사용할 수 있도록 한다.
   • HW
   • SW

3. 프로세스(실행주체)와 스레드(가벼운 프로세스) 관리

4. 시스템 보호
   • 사용자가 불법적인 형태로 시스템 사용하려고 하는 경우 보호하는 역할 수행

컴퓨터 시스템 구성도

OS는 크게 Kernel과 System Call Interface로 구성된다.

• 커널: 운영체제의 핵심을 모아놓은 것
• 시스템 콜 인터페이스: 커널이 제공하는 기능 중, 사용자가 접근 가능한 기능을 모아놓은 것 (통로 역할)
  • 사용자가 커널을 직접 access하게 되면, OS가 HW를 제어하는 데 문제를 일으킬 수 있다.
  • 따라서 커널에 access를 원하는 경우, System call interface를 통해 OS 커널에 접근할 수 있도록 요청을 한다.

위에서 부터, 사용자들 / 시스템 콜 인터페이스 / 커널

운영체제는 어떤 종류가 있는가?

분류 방법 크게 3가지

1. 동시 사용자 수 : 한 명이 사용하는가 여러 명이 사용하는가?
2. 동시 실행 프로세스 수: 동시에 여러 프로그램을 수행할 수 있는가?
3. 작업 수행 방식(사용자가 느끼는 사용환경): 프로그램을 수행하는 방식이 어떠한가?

몇 명이 사용하는가?

1. 단일 사용자 : 한 순간에 한 명만 사용할 수 있는 OS
   • 비교적 간단하게 만들 수 있다
   • 자원관리 쉽다
   • 시스템 보호 쉽다
2. 다중 사용자 : 한 순간에 여러 명이 사용할 수 있는 OS
   • 단일 사용자 시스템에 비해 복잡하다.
   • 서버, 슈퍼컴퓨터와 같은 클러스터 등은 다중 사용자 시스템으로 분류 - 자원의 소유권 문제가 존재한다. - 멀티 태스킹이 가능해야 한다 => 여러개의 프로그램을 돌릴 수 있어야 한다

동시에 여러 프로그램을 실행시킬 수 있는가?

1. 단일작업 : 하나의 프로그램(프로세스)만 실행 가능
   • 하나를 마친 후에 다른 프로그램 실행해야 한다.
   • 요즘 찾아보기 힘듦 -(예) MS DOS => 실행된 프로그램 종료될 때까지 기다려야 함
2. 다중작업 : 동시에 여러개의 프로그램(프로세스) 실행 가능
   • 창 여러개 띄워놓고 작업할 수 있다.
   • 우리에게 익숙한 형태 - 단일 작업 시스템보다 구조가 복잡하다

프로그램을 수행하는 방식이 어떠한가?

운영체제 발전 역사와 관련 있음

1-1. 순차처리 : 가장 원시적인 처리 방법
1-2. 일괄처리(Batch processing) : 모아뒀다가 한꺼번에 처리
1-3. 시분할(Time-sharing) : 짧은 시간단위로 각 프로그램을 돌아가며 처리

2-1. 퍼스널 컴퓨팅 : 단말기를 사용하지 않고 개인용 OS를 사용
2-2. 병렬처리 : 컴퓨터 내에 여러개의 CPU를 두어 성능을 향상시킨 방식
2-3. 분산처리(Distributed processing) : 여러 대의 컴퓨터를 연결하여 성능을 향상시킨 방식

3-1. 실시간(Real-time) : 처리에 시간 제한을 둔 방식

(1) 작업 수행 방식1 - 순차 처리

• 운영체제가 하는 역할 모두를 사용자가 직접 수행
  • 프로세스로 어떤 프로그램을 수행할지
  • 해당 프로그램의 어느 지점을 수행할지(PC)
  • 어디서 읽어올지
• 실행할 프로그램 마다 환경을 다시 설정 -오랜 준비 시간 소요

(1) 작업 수행 방식2 - 배치시스템

순차처리방식이 준비 시간 길다는 문제를 해소

• 실행할 프로그램들을 모아뒀다가 한꺼번에 처리
• 프로그램 사이사이 준비시간을 줄일 수 있음
• (예) C 파일 완료 후 Java파일 완료 후 Python 파일 실행

배치시스템의 장단점

• 시스템이 처리하기 편한 방법
  • 모아둿다가 한번에 처리할 수 있으므로
  • 쓰루풋 좋음
• 하지만, 결과 언제 받아볼 지 알 수 없음

(1) 작업 수행 방식3 - 시분할시스템

• 시간을 나누어서 사용하는 방식(요즘 사용되는 시스템 방식)
  • 과거: A완료 => B완료 => C완료
  • TS : A(1) => B(1) => C(1) => A(2) ….
• 여러 사용자가 자원을 동시에 사용
  • 이 시기에 파일 시스템과 가상 메모리가 등장하고 해당 기능들을 관리하기 시작
• 사용자 지향적
  • 대화형 시스템: 한 작업이 끝날 때까지 기다리는 것이 아니라, 일정시간 지나면 반응 하기 때문에
  • 단말기 사용한 접근 : 컴퓨터 내부에 HW가 있는 형태가 아니라. 단말기를 사용해서 결과화면을 출력하고, 키보드로 입력된 내용을 전달해주는 방식이었음

시분할 시스템 구조

• 초록: 실제 연산하는 곳
• 분홍: 사용자들이 단말기로 요청을 보내고, 결과를 받아보는 곳

시분할 시스템의 장단점

• 항상 일정 시간 내에 반응하기 때문에, 사용자 입장에서는 좋음
• 여러 개의 프로세스가 프로세서를 나눠서 씀
  • 유휴 시간 감소됨
• 하지만, 통신으로 인한 문제점
  • 단말기를 통해 접속하기 때문에 통신에 따르는 비용 증가
  • 통신에 따르는 보안 문제 등장
• 너무 많은 사람들이 접속 할 경우 부하가 커지고 느려진다.

(2) 작업 수행 방식1 - 퍼스널 컴퓨팅

단말기 쓰는거 너무 느리니까 나 혼자만 쓰고 싶다

• 단말기를 사용하는 기존방식과 추구하는 목표 다름
  • 과거의 목표 cpu활용률 높이기(컴터를 쉬지않고 돌리는 것)
  • 개인화되면서, 사용자가 얼마나 편리하게 시스템을 사용하느냐가 중요해짐
• 한 사람이 쓰기 때문에 OS가 단순해짐
  • 그대신 사용자 편리성 높여주는 쪽으로 발전
• 혼자쓰니까 빠르지만, 비싼거 사기 힘드니까 성능 낮음

(2) 작업 수행 방식2 - 병렬 처리 시스템

성능 구리다. 컴퓨터 안에 CPU 여러개 박아서 성능 높이자

• 하나의 시스템에 여러 개의 프로세서를 사용하는 방식
• Tightly-coupled system의 형태(자원과 꽉 묶여있다)
  • CPU는 여러갠데 기타 자원은 공유해서 사용하는 형태
• 사용 목적
  • 신뢰성: CPU 1개 고장나도 다른 애들이 대신 일 해줄 수 있음
• 하지만, CPU가 여러개니까 그들 사이에 관계나 역할을 나눌 필요성 생김

(2) 작업 수행 방식3 - 분산 처리 시스템(병렬 처리의 한 분야)

Tightly-coupled 방식으로 CPU 100개의 성능을 내고 싶다?

하나의 컴퓨터에 CPU 100개 심을 수 없음. 공간적/시스템적 한계
즉, 확장에 제약이 존재
그럼, 내부에 프로세서 여러개를 사용하는 방식이 아니라, 컴퓨터 여러대를 붙여서 성능을 높이자

분산처리 시스템 : LAN(네트워크)를 사용해서 컴퓨터 여러 대를 묶은 병렬처리 시스템

물리적인 통신망을 이용해 연결한 형태

• 각각의 노드(붙어있는 컴터)들은 자기만의 OS를 가짐
  • 이것들을 묶어서 관리해주는 분산운영체제가 존재
• 클러스터 시스템(슈퍼컴), 클라이언트-서버 시스템 등…

분산처리 시스템의 장단점

• 장점
  • 신뢰성
• 단점
  • 구축과 관리 힘들다

(3) 작업 수행 방식- 실시간 시스템

• 작업 처리에 제한 시간을 갖는 시스템
  • 작업 요청하면 적어도 이때까지는 요청 받아야 한다
• 하드 리얼타임 (예시)
  • 원자력 관리 시스템, 군에서 사용하는 무기 관리
  • 온도체크해서 1초마다 알려주는 시스템
  • 1초만에 온도체크 실패? 온도 기준치 이상으로 올라갈 수 있고, 발전소 위험에 처할 가능성 있음
  • 즉, 시간안에 결과를 보장하지 못하면 큰 문제가 발생하는 시스템
• 소프트 리얼타임 (예시)
  • 유튜브의 동영상
  • 기본적으로 1초에 30장의 그림을 만들어 내야 함
  • 하지만, 네트워크 느리거나 문제가 발생해서 흐릿하게 나오는 경우

운영체제의 내부는 어떻게 구성되어 있는가?

크게 두가지로 구성되어 있다

1. 커널 -> 알맹이라는 의미
   • OS의 핵심 부분.
   • 즉, 가장 빈번하게 사용되는 부분을 모아놓은 것
   • 예) 프로세서 관리, 메모리 관리 등…
   • 계속 써야 하기 때문에 메모리에 ‘항상’ 올라가 있음
2. 유틸리티 -> 커널을 제외한 나머지 부분
   • 대표적으로 ui나 자주사용하지 않는 부분
   • 가끔씩 쓰기 때문에 필요한 순가 메모리에 올려서 사용함

OS는 컴퓨팅 리소스를 관리한다

단일 구조 운영체제

• 운영체제의 기능을 하나의 거대한 커널, 즉 단일 구조로 모아놓은 것
  • 프로그램으로 예를 들면 메인 안에 모든 것들이 다 짜져있는 형태
• 장: 커널 내의 각 기능들 사이에 모듈간에 직접 통신 가능. 빠르게 할 수 있음
• 단: 기능이 추가될 수록 사이즈 너무 커짐. 버그 발생할 경우 유지보수 힘듦
• 또 악성코드 침입한다면 걔가 커널 전체기능 다 건드려서 영향 줄 수 있음

계층 구조 운영체제

• 단일구조 운영체제의 문제를 해결하기 위해 계층별로 묶자 => 현대 운영체제의 형태
• 모듈화 해서 각 기능에만 집중
  • 설계와 구현, 문제 생길 때 유지보수 단순화
• 하지만, 여러 계층을 거쳐서 기능이 실행되므로 성능 떨어질 수 있음

마이크로 커널 구조

• 커널이 점점 커지니 문제가 된다.
• 커널에 필수 기능만 담고, 나머지 응용프로그램처럼 사용자 영역에서 조작하자
• 메모리 관리, 프로세스관리, 통신관리만

운영체제는 어떤 작업을 수행하는가?

OS의 기능은 ‘관리’에 있다

다양한 HW, SW리소스를 관리

프로세스 관리

• 프로세스 : 실행 중인 프로그램
  • 프로세서와 구별해라
• 여러개의 프로세스가 하나의 자원을 동시에 쓰려고 할 때 중재하는 역할 함
  • 교착 상태, 데드락
• 정보 관리를 위한 PCB를 가지고 있다

프로세서 관리

• 누구한테 얼마만큼 줄 것인가
• 스케줄링 등

메모리 관리

• 일반적으로 Memory == 주기억장치(메인보드에 꽂아쓰는 DRAM)
• 여러 개의 프로세스가 메모리를 동시에 사용하기 때문에, 어케 할당하고 회수하는지를 결정
• 불법적인 사용 막기

파일 관리

대표적인 SW 리소스인 파일을 관리하는 역할도 수행

주변장치 입출력 관리

프로세서(CPU)가 직접 입출력할 수 없기 때문에, OS가 중간에서 관리

‘프로세서(CPU)’가 커널에 요청을 하면 ‘OS’가 ‘입출력장치’와 통신

’

역할6 그 외에 관리하는 리소스들