면접을 위한 CS 전공 지식 노트-[3.1 운영체제와 컴퓨터]

3.1.1 운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

운영체제의 역할은 크게 네 가지가 있다. 

1. cpu 스케줄링과 프로세스 관리: cpu 소유권 할당, 프로세스의 생성/삭제, 자원 할당 및 반환

2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리합니다. 

3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보과할지 관리한다. 

4. I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스 ,키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리한다.

 

운영체제의 구조 (참고: GUI가 없고, CUI만 있는 리눅스 서버도 존재한다)

 

용어
- GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태이다. 단순 명령어창이 아닌, 아이콘으로 마우스 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용이 가능하다. 
- 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
- CUI: 그래픽이 아닌, 명령어로 처리하는 인터페이스

 

시스템콜

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스, 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.

요약: 유저 프로그램 => 시스템 콜(거쳐서) => 커널로 가는 중간 다리 역할(인터페이스)

이때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다. 본 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대하 직접 접근 차단 가능 + 다른 프로그램으로부터 보호 가능 

 

용어
- I/O 요청: 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일 

위 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐서 가게 된다. 

 

시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 따라서, 네트워크 통신 + 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대해 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다. 

 

modebit

시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다. modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. 카메라, 키도드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다. 

ex) 카메라를 키는 프로그램이 있다고 했을 때 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 공격자가 사용자의 의도와 관계없이 카메라를 킬 수 있다. (커널 모드를 거쳐 OS에 오면 비교적 더 안전하게 보호할 수 있다) 이 기능을 도와주는 장치가 바로 modebit이다. modebit의 0 === 커널모드, 1 === 유저 모드

modebit의 역할

용어
- 유저 모드: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두 컴퓨넡 자원에 함부로 침범할 수 없는 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 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다. 

 

3.1.2 컴퓨터의 요소

컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. 

 

 

CPU (Central Processing Unit)

산술논리연산장치(ALU), 제어장치(CU), 레지스터(register)로 구성된 컴퓨터 장치를 말한다. interrupt에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다. 

CPU는 일꾼이며 kernel은 관리자!

관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다. 

 

제정장치(CU) 

프로세스 조작을 지시하는 CPU의 부품이다. (입출력 장치 간 통신 제, 명령어들 해석, 순서 지정) 

레지스터 (Register) 

CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치이다. CPU와 직접 연결돼 있기 때문에 메모리보다 수십~백배 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법 X 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치(ALU)

덧셈, 뺼셈, 두 자리 수의 연산과 배타적 논리합 (XOR), 논리곱 등 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

CPU의 연산 처리

 

• CU가 메모리 + 레지스터에 계산할 값을 로드한다. 
• CU가 register에 있는 값을 계산하라고 ALU에 명령한다. 
• CU가 계산된 ㄱ밧을 다시 register 메모리로 계산한 값을 저장한다.

Interrupt

어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.  

동작

Interrupt가 발생하면 interrupt handler 함수가 모여 있는 interrupt vector로 가서 interrupt handler function이 실행된다. Interrupt 간에는 우선순의가 있고, 그것에 따라 실행된다.

 

Interrupt 종류

• Software Interrupt: Trap이라고 하며, 프로세스 오류 등 프로스세가 시스템 콜을 호출할 때 발동한다.
• Hardware Interrupt: IO 디바이스에서 발생하는 interrupt를 의미한다. interrupt 라인이 설계 된 후 순차적인 interrupt 실행을 중지하고, 운영체제에 있는 시스템콜을 요청해 원하는 디바이스로 향한다. 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 직접 접근해서 일을 수행한다. 

용어 정리
- Interrupt Handler Function: Interrupt가 발생했을 때 헨들링하는 함수. (커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며, request_irq()를 통해 interrrupt handler function 함수 등록 가능

DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다. 

 

기능: CPU에만 interrupt 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼으로 보면 된다. (CPU + DMA가 하나의 작업을 담당하는 것도 방지한다)

 

Memory

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치이다. 보통 RAM (Random Access Memory)을 말한다.

CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다. 

• CPU: 일꾼
• Memory: 작업장 (작업장 크기 = == Memory 크기

RAM (Random Access Memory):

RAM은 주기억장치에 해당한다. RAM은 컴퓨터가 켜진 동안만 사용이 가능하며, 전원이 차단되면 모든 데이터가 손실된다. 따라서, RAM은 휘발성 메모리로 분류되며, delete/Write가 가능하다. RAM은 주로 실행 중인 프로그램, 작업 파일, 프로세스의 정보 및 시스템 운영체제에 의해 사용된다. 

 

타이머 (Timer) 

 몇 초 안에 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다. 

시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다. 

 

디바이스 컨트롤러 (Device Controller)

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.