[CS] 혼공컴운 Chapter 9. 운영체제 시작하기

09-1 운영체제를 알아야 하는 이유

운영체제란

프로그램 실행에 필요한 요소들을 가리켜 시스템 자원이라고 한다.
실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램이
바로 운영체제(operating system)이다.

 

• 운영체제는 특별한 프로그램이기 때문에 항상 컴퓨터가 부팅될 때 메모리 내 커널 영역(kernel space)에 따로 적재되어 실행 됨.
• 커널 영역을 제외한 나머지 영역, 사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역을 사용자 영역(user space)이라고 함.

• 운영체제는 실행할 프로그램을 메모리에 적재.
• 더 이상 실행되지 않는 프로그램을 메모리에서 삭제하며 지속적으로 메모리 자원을 관리.
• 또한, 응용 프로그램에 자원을 효율적으로 배분하고, 실행할 프로그램들이 지켜야 할 규칙을 만들어 컴퓨터 시스템 전체를 관리.
• 개발자는 운영체제와의 대화를 통해 하드웨어와 프로그램을 더 깊이 이해하고 문제 해결의 실마리를 찾을 수 있다.

 

09-2 운영체제의 큰 그림

운영체제의 심장, 커널

• 자원에 접근하고 조작하는 기능, 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능과 같이 운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분을 커널(kernel)이라고 한다.

 

이중 모드와 시스템 호출

• 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하는 것을 방지하여 자원을 보호.
• 대신, 응용 프로그램의 요청을 받은 운영체제는 응용 프로그램 대신 자원에 접근하여 요청한 작업을 수행.

이중모드

• CPU가 명령어를 실행하는 모드를 사용자 모드와 커널 모드로 구분하는 방식
• 사용자 모드는 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드.(커널 영역 코드 실행 x)
• 사용자 모드로 실행 중인 CPU는 입출력 명령어와 같이 하드웨어 자원에 접근하는 명령어를 실행할 수 없다.
• 따라서 사용자 모드로 실행되는 일반적인 응용 프로그램은 자원에 접근할 수 없다.
• 커널 모드는 운영체제 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드.(커널 영역 코드 실행 o)
• CPU가 커널 모드로 명령어를 실행하면 자원에 접근하는 명령어를 비롯한 모든 명령어를 실행할 수 있다.
• 따라서 운영체제는 커널 모드로 실행되기 때문에 자원에 접근 할 수 있다.

시스템 호출

• 사용자 모드로 실행되는 프로그램이 자원에 접근하는 운영체제 서비스를 제공받기 위해서는 운영체제에 요청을 보내 커널 모드로 전환되어야 함.
• 이때 운영체제 서비스를 제공받기 위한 요청을 시스템 호출(system call)이라고 함.

• 시스템 호출은 소프트웨어 인터럽트이다.
• 따라서 CPU가 시스템 호출을 처리하는 순서는 인터럽트 처리 순서와 유사하다.

• 응용 프로그램은 실행 과정에서 운영체제 서비스들을 매우 빈번하게 이용한다.
• 그 과정에서 빈번하게 시스템 호출을 발생시키고 사용자 모드와 커널 모드를 오가며 실행된다.

 

운영체제의 핵심 서비스

프로세스 관리

• 실행 중인 프로그램을 프로세스(process)라고 한다.
• 각 프로세스는 상태도, 사용하고자 하는 자원도 다양하다.
• 운영체제는 다양한 프로세스를 일목요연하게 관리하고 실행할 수 있어야 한다.(10장. 프로세스와 스레드에서 자세히)
• 프로세스 동기화(12장): 여러 프로세스가 동시에 실행되는 환경.
• 교착 상태(13장): 프로세스가 꼼짝도 못하고 더 이상 실행되지 못하는 상황.

 

자원 접근 및 할당

• CPU - CPU스케줄링: 운영체제가 프로세스들에 공정하게 CPU를 할당하기 위해 우선순위와 시간할당을 결정.(11장)
• 메모리 - 운영체제가 프로세스에게 어떻게 메모리를 할당하는지, 메모리가 부족할 경우 이를 어떻게 극복하는지.(14장)
• 입출력장치 - 입출력장치가 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업한 뒤 커널 영역에 있는 인터럽트 서비스 루틴 실행함으로써 입출력 작업 수행.

 

파일 시스템 관리

• 파일을 열고, 생성하고, 삭제 및 파일들을 디렉터리로 관리하는 작업 또한 운영체제가 지원하는 핵심 서비스.
• 운영체제가 보조기억장치 속 데이터를 어떻게 파일과 디렉터리로 관리 하는지.(15장)