운영체제(Operating System)

본 포스팅은 Abraham Silberschatz 저 『Operating System Concepts』(9th Edition)의 내용을 개인 학습 목적으로 요약·정리한 글입니다.

1.1 운영체제가 하는 일

Computer System은 하드웨어, 운영체제, 응용 프로그램, 사용자로 구분된다.
1. 하드웨어(Hardware) : CPU, Memory, I/O로 구성되어 기본 계산용 자원을 제공
2. 운영체제(OS) : Application 간의 하드웨어 사용을 제어한다.
3. 응용 프로그램(Application)
Computer System은 HW, SW, Data로 구성되었다고 볼 수 있다.
운영체제(OS)는 컴퓨터 시스템이 동작할 때, 이들 자원을 적절하게 사용할 수 있는 방법을 제공한다.
운영체제는 government와 유사하다. 즉, 다른 프로그램이 유용하게 사용할 수 있는 '환경'을 제공한다.

User 관점 🧑

Computer 사용자의 관점은 사용되는 Interface에 따라 달라진다.

1. Personal Computer의 경우

보통 컴퓨터 사용자들은 키보드, 마우스, System Unit으로 구성된 PC 앞에서 작업을 한다.
이 System은 한 사용자가 자원을 독점하도록 설계되었으며, 사용자가 수행하는 작업을 최대화하는 게 목표이다.
이 경우, '사용의 용이성'을 위해 설계되고, '자원의 이용'의 효율성에는 전혀 신경을 쓰지 않는다.

2. 대형 컴퓨터 혹은 미니컴퓨터에 연결된 터미널에 앉아 있는 경우

다른 사용자들은 동일한 컴퓨터에 대해 다른 Terminal을 접근하고 있다.
이들 사용자들은 자원을 공유하며, 정보를 교환할 수 있다.
따라서, 이 경우 OS는 '자원의 이용'을 극대화하도록 설계되어 있어, CPU 시간, 메모리 등이 효율적으로 사용된다.

3. WorkStation과 Server의 Network에 연결된 Workstation과 관계된 경우

이 경우, 사용자들은 자유롭게 사용할 수 있는 전용 자원을 가지게 된다.
그러나, 네트워킹과 프린트 서버 등을 공유하므로, '사용의 용이성'과 '자원의 이용'이 조화가 이루도록 설계된다.

System 관점 🖥️

운영체제는 하드웨어와 가장 밀접한 프로그램이며, 운영체제를 Resource Allocator(자원 할당자)로 볼 수 있다.
- 운영체제는 CPU Time, Memory 등을 효율적으로 사용하기 위한 자원의 관리자 역할을 수행한다.
운영체제는 '제어 프로그램(Control Program)'으로, 입출력 장치의 제어와 작동에 깊이 관여한다.

운영체제의 정의(Definition of OS)

운영체제의 완벽한 정의는 없다.
운영체제가 존재하는 이유 = 운영체제가 유용한 컴퓨터 시스템을 만드는 과정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 적절한 방법
컴퓨터 시스템의 근본 목적은 사용자 프로그램을 실행하고, 사용자 문제의 해결을 보다 쉽게 해주는 데 있다.
이 목적을 달성하기 위해 컴퓨터 하드웨어가 제작되며, 순수 하드웨어만으로는 해결되지 않아 응용 프로그램이 개발되었다. 다양한 프로그램들은 입출력 장치의 통제와 같이 공통적인 연산을 필요로 한다.
여기에 자원을 할당하고 제어하는 공통 기능을 하나의 소프트웨어로 통합한 것이 운영체제이다.
보다 일반적인 정의로, 운영체제는 컴퓨터에서 항상 수행되는 프로그램으로 커널(Kernel)이라고 불린다.

1.2 컴퓨터 시스템의 구성(Organization)

컴퓨터 시스템의 작동 과정
현대의 범용 컴퓨터 시스템은 공통 버스를 통해 공유 메모리에 접근할 수 있도록 연결된 여러 개의 장치 제어기(Device Controller)와 하나 이상의 CPU로 구성되어 있다.
- 장치 제어기 : 오디오 장치, 비디오 디스플레이 등

컴퓨터의 시작 과정

컴퓨터 구동 시 수행할 초기 프로그램 = 부트스트랩(BootStrap) 프로그램
- 부트스트랩은 ROM/EEPROM 내에 저장된 펌웨어(Firmware)의 일종
- ROM(공장에서 고정됨) vs. EEPROM(느리지만 전기적 방식으로 고치기 가능)
- CPU, Device Controller, Memory 등을 포함한 모든 시스템 초기화
- Bootstrap은 운영체제를 메모리에 적재하고 실행한다.

파워로부터 각 장치들에 전력 공급(CPU/RAM/ROM 등)
CPU가 ROM(Read-only Memory)에 저장된 BIOS(펌웨어)를 실행한다.
- BIOS = Basic Input-Output System = 기본 입출력 시스템
- BIOS는 POST 검사 과정을 수행 (메모리, IO, 디스크 등 작동 점검)
  - POST = Power-On Self Test = 하드웨어들 상태 괜찮니?
BIOS가 부트스트랩(Bootstrap) 과정을 시작
- MBR 영역(하드디스크 0번 섹터)의 부트로더를 메모리로 올림
메모리에 올라간 부트로더가 디스크(Disk)에 있는 운영체제 커널(OS Kernel) 코드를 복사해서 메모리에 붙여넣어 운영체제를 실행한다.
(제어권을 넘겨받은) OS는 첫 번째 프로세스(Daemon, 데몬)을 실행하고, 이벤트를 기다린다.
- 이벤트는 보통 HW나 SW의 인터럽트 신호를 말한다.

인터럽트 (Interrupt)

이후, 시스템은 이벤트(Event)가 발생하기를 기다린다.
사건이 발생하면, Hardware 또는 Software로부터 발생한 인터럽트(interrupt)에 의해 신호가 보내진다.
- Hardware는 어느 순간이든(=비동기적으로) System Bus를 통해 CPU에 신호를 보내고, 인터럽트를 발생시킬 수 있다.
- Software는 System Call 호출로 Trap 인터럽트를 발생시킬 수 있다. (System Call ⊂ Trap)

🔁 인터럽트 처리 과정

인터럽트 발생
- CPU가 어떤 작업을 수행 중일 때, 외부 장치나 소프트웨어가 인터럽트 신호를 보내면 → CPU는 하던 일을 잠시 멈춘다.
인터럽트 서비스 루틴(ISR)으로 이동
- CPU는 미리 정해진 위치(주소)로 이동해서 인터럽트를 처리하는 코드(인터럽트 서비스 루틴, ISR)를 실행한다.
현재 상태 저장
- CPU는 다시 원래 작업으로 돌아오기 위해, 현재 실행 중이던 명령의 주소(Program Counter)와 레지스터 값들을 저장해둔다.
인터럽트 작업 수행
- 인터럽트 서비스 루틴에서 필요한 작업(예: 키 입력 처리, I/O 완료 처리 등)을 수행한다.
저장된 상태 복원 후 복귀
- 인터럽트 처리가 끝나면, 저장해둔 주소와 상태를 복원한 뒤, 중단되었던 원래 작업을 이어서 수행한다.

CPU와 I/O장치 간 타이밍 차이 발생 이유
- I/O request : CPU가 I/O 요청을 전송 (키보드에서 “A” 키를 누름을 알림)
- transferring : I/O 장치가 데이터를 처리중 (’A 누름’ 명령어 처리)
- interrupt signaled : I/O 장치가 ‘다 했다’고 CPU에게 알림 (A 입력 완료)
- interrupt handled: CPU가 그 알림을 받고 실제 처리 (

저장장치 구조

nonvolatile = 비휘발성 (HDD, SSD 등)
일반적인 명령어 실행 주기
- Load Program(불러오기) → Fetch Instruction (명령어 가져오기) → Decode (명령어 해독) → Fetch Operands(피연산자 가져오기) → Execute (명령어 실행) → Store (결과 저장)

CPU는 오직 메모리에서만 명령어를 로드할 수 있으므로 실행할 프로그램은 반드시 메모리(Memory, RAM)에 저장되어야 한다.
주메모리(RAM)는 모든 필요한 프로그램과 데이터를 영구적으로 저장하기에는 작다
주 메모리는 휘발성 저장 장치로, 전원이 꺼지거나 다른 이유로 전원이 끊기면 내용을 잃게 된다.
주 메모리의 확장이 필요함 → 보조저장장치 사용

입출력장치(I/O) 구조

시스템의 신뢰성과 성능에 미치는 영향 때문에 OS 코드의 많은 부분은 입출력 관리에 쓰임
I/O 장치와 CPU는 동시에 실행할 수 있다.
각 장치는 장치 컨트롤러(Device Controller)가 존재하며, 로컬 버퍼를 가진다.
- 장치 컨트롤러는 OS 내부에 존재하는 장치 드라이버가 제어한다.
CPU는 데이터를 장치 컨트롤러의 로컬 버퍼에서 이동시킨다
I/O는 장치에서 장치 컨트롤러의 로컬 버퍼로 이루어진다
장치 컨트롤러는 작업을 완료했음을 CPU에 인터럽트를 발생시켜 알린다

🚀 DMA (Direct Memory Access)

인터럽트 기반 I/O는 높은 오버헤드로 인해 대량 데이터 이동에는 적합하지 않을 수 있다.
- 오버헤드(Overhead) : 어떤 작업을 수행하기 위해 필요한 부수적 자원.
- 어떤 작업을 가능하게 하기 위해 오버헤드를 피할 수는 없지만, 최소화해야 성능 향상에 도움이 됨
만약 한 글자 입력 당 한 번의 인터럽트가 발생한다면?
- 1,000자 입력을 위해서는 1천 번의 인터럽트를 발생시켜야 한다.

DMA (Direct Memory Access)
- 장치 컨트롤러가 CPU의 개입 없이 데이터를 전체 블록 단위로 로컬 버퍼에서 메모리로 직접 전송
- 즉 하드웨어(HDD, VGA 등)들이 메모리에 직접 접근하여 읽거나 쓸 수 있도록 하는 기능
- 한 블록당 하나의 인터럽트만 생성되어 오버헤드 감소

1.3 컴퓨터 시스템의 구조 (Architecture)

컴퓨터 시스템 부품들의 정의

ALU,CU = 레지스터 / TIMER, ADC = 주변장치(페리페럴)

CPU : 명령어들을 실행시키는 하드웨어, 프로세서의 종류 중 하나
Processor : CPU의 일부분으로서 CPU의 핵심 기능을 수행하는 실제 칩(chip)을 가리킴
Core : 코어는 CPU 내부의 실행 엔진으로 실제로 명령어를 처리하고 연산을 수행함. 코어들은 CPU 내부에 위치하여 독립적으로 작동하거나 병렬적으로 수행할 수 있다

1️⃣ SMP (대칭형 멀티프로세싱) 아키텍처

여러개의 프로세서 또는 코어가 동일한 메모리와 시스템 버스에 접근하여 작동하는 아키텍처
SMP 시스템에서는 각 프로세서가 독립적으로 작동하지만 모든 프로세서가 공유된 메모리에 접근 가능
- 버스/메모리 병목 현상이 발생

2️⃣ 듀얼 코어(Dual Core) 디자인

하나의 CPU 내 코어가 여러 개 존재하고, 각 코어 내에 자신만의 L1 캐시를 가지는 구조
L2/L3 캐시는 공유가 가능하여 협업/자원공유 및 병렬 처리 가능.
- 싱글코어 대비 성능 ↑. 멀티스레딩 성능 향상됨
- 단일 CPU 패키지 내에서 동작하므로, 전력 효율적
결국 두 개의 코어가 하나의 주메모리(RAM) 대역폭을 공유하는 구조. 병목 발생 가능

3️⃣ NUMA 구조

다수의 프로세서가 존재하며, 각 프로세서가 자신만의 지역 메모리(Local Memory)를 가짐
필요할 경우 다른 프로세서의 메모리에도 접근할 수 있음.
- CPU가 자신의 지역(Local) 메모리에 접근할 때는 빠르고, 다른 노드(Node)의 메모리에 접근할 때는 상대적으로 느림
- 대형 시스템에서 메모리 병목 현상을 완화할 수 있음.
- 메모리를 CPU 가까이에 배치하여 메모리 접근 속도를 최적화.
OS 및 소프트웨어가 NUMA-aware(메모리 배치 최적화 지원) 되어야 최대 성능을 발휘함
원격 메모리 접근 비용이 높아질 수 있음 → 프로세스가 잘못된 메모리 배치를 사용하면 성능 저하 발생

1.4 운영체제의 동작 과정 (Operations)

운영 체제는 인터럽트 기반으로 동작한다.
- HW 인터럽트
- SW 인터럽트 (=Trap)
운영 체제와 사용자가 컴퓨터의 하드웨어 및 소프트웨어 자원을 공유하므로, 사용자 프로그램의 오류가 다른 프로그램에 영향을 미치지 않도록 해야한다.
- 예: 무한 루프, 프로세스가 서로 또는 운영 체제를 수정하는 문제 등
- 잘못된(악성) 프로그램에 대한 적절한 보호가 필요하다
  - 이중 모드 실행 / 타이머

멀티 프로그래밍

메모리에 여러 개의 응용 프로그램을 적재하는 것 (효율성을 위해)
메모리에 여러개의 프로그램을 올려두어서 CPU가 하나의 프로그램이 대기중일때 다른 프로그램을 수행시켜 효율을 극대화
단일 사용자는 CPU와 I/O 장치를 항상 바쁘게 유지할 수 없음
다중 프로그래밍은 작업(코드 및 데이터)을 조직하여 CPU가 항상 실행할 작업을 갖도록 함
시스템 내의 전체 작업 중 일부는 메모리에 보관됨
작업이 대기해야 할 때(예: I/O 대기), 운영 체제는 다른 작업으로 전환

타임 쉐어링 (멀티태스킹)

시분할(Time Sharing)은 멀티프로그래밍(Multiprogramming)의 논리적 확장
- CPU는 작업을 매우 자주 전환하여 사용자가 각 작업과 상호작용할 수 있도록 하며, 이를 통해 상호작용형 컴퓨팅을 생성 (= 사용자 응답성을 고려한 탄생)
Job Scheduling : 어떤 프로그램을 주메모리(RAM)로 올려줄까에 대한 스케줄링 (Job Queue → Memory)
CPU Scheduling : 어떤 프로세스를 CPU로 올려줄까에 대한 스케줄링 (Ready Queue → CPU)
Swapping : 메인 메모리에 올리려고 할 때, Memory가 부족하면 일 안하는 프로세스를 보조공간으로 내보낸 후 메모리에 올림 (스와핑)
- Swap In ↔ Swap Out (단, 할 때마다 Context Switching 이 발생해서 Overhead가 많아짐)
- 가상 메모리 : 물리적 메모리 크기의 한계를 극복하기 위해 가상 메모리 사용

→ 멀티프로그래밍과 같이 동시에 메모리에 할당/올라가지만, 타임쉐어링은 맥시멈 시간이 한정되어 있음. 그 시간 안에 해결 못하면 CPU 뺏어서 다른 친구에게 던짐.

듀얼 모드

유저 모드 (user mode)
- 사용자가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두고, 프로그램의 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
- 유저 모드에서 코드를 작성하고, 프로세스를 실행하는 등의 행동을 할 수 있음
커널 모드 (kernel mode)
- 커널 모드란 잘못된 프로그램으로 인해 다른 프로그램이 잘못 실행되지 않도록 하기 위해 사용되는 모드이다.
- 커널 모드는 모든 자원(드라이버, 메모리, CPU 등)에 접근, 명령을 할 수 있음
듀얼 모드를 이용한 실행가능 기능 구분
- 타이머 값 설정 (~~사용자~~/커널)
- 시계 읽기 (사용자/커널)
- 인터럽트 끄기 (~~사용자~~/커널)
- I/O 장치 접근 (~~사용자~~/커널)
- 트랩 명령어 발행 (사용자/커널)

모드 비트 - ARM

타이머

무한 루프나 프로세스가 자원을 과다하게 사용하는 것을 방지하기 위한 타이머
- 타이머는 일정 시간 후에 컴퓨터를 인터럽트하도록 설정된다.
- 물리적 시계에 의해 카운터가 감소된다.
- 운영 체제가 카운터를 설정한다 (특권 명령어).
- 카운터가 0이 되면 인터럽트가 발생한다.
- 프로세스 스케줄링 전에 설정되어, 할당된 시간을 초과한 프로그램을 제어하거나 종료한다.
운영체제가 CPU에 대한 Control을 유지할 수 있도록 보장해야 한다.
즉, 사용자 프로그램이 무한 루프에 빠지거나 서비스 호출에 실패하여, 운영체제가 Control 하지 못하는 상황이 생기는 상황을 방지해야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 타이머(Timer)를 사용할 수 있다.
타이머(Timer)는 지정된 시간 이후 컴퓨터를 인터럽트 하도록 설정할 수 있다.
고정 시간마다, 혹은 가변 타이머를 사용하여 클락이 tick할 때마다 counter가 감소하게 되며, counter가 0이 되면, 인터럽트가 발생하게 된다.

운영 체제가 하는 일

운영 체제는 컴퓨터 하드웨어를 관리하고, 애플리케이션 프로그램이 실행될 수 있는 환경을 제공한다.
- 프로세스 관리
- 메모리 관리
- 저장 장치 관리
- 보호 및 보안

1.6 프로세스 관리

실행 중인 프로그램(program in execution) = 프로세스(Process)
프로그램은 passive(수동적)인 개체, 프로세스는 프로그램 카운터를 가진 active(능동적) 개체
프로그램은 해당 instruction이 CPU에 의해 수행되지 않으면, 아무 일도 할 수 없다.
프로세스는 자신의 일을 수행하기 위해 CPU 시간, 메모리, 파일, 그리고 입출력 장치를 포함한 여러 가지 장치를 필요로 한다.
한 프로세스는 한 시스템 내의 작업의 단위이다. 이러한 시스템은 프로세스의 집합으로 구성되는데, 프로세스들 중 일부는 운영체제 프로세스들(시스템 코드 수행)이며, 나머지는 사용자 프로세스들(사용자 코드 수행)이다.
프로세스는 작업을 수행하기 위해 자원이 필요하다.
- CPU, 메모리, I/O, 파일
- 초기화 데이터
프로세스 종료 시, 재사용 가능한 자원을 회수해야 한다.
단일 스레드 프로세스는 하나의 프로그램 카운터를 가지며, 다음 실행할 명령어의 위치를 지정한다.
- 프로세스는 명령어를 순차적으로 하나씩 실행하여 완료된다.
다중 스레드 프로세스는 각 스레드마다 하나의 프로그램 카운터를 가진다.
- 프로그램 카운터(Program Counter, 줄여서 PC)는 CPU 내부에 있는 중요한 레지스터 중 하나로, “다음에 실행할 명령어의 주소"를 저장.
시스템에는 여러 프로세스가 있으며, 일부는 사용자 프로세스이고, 일부는 운영 체제 프로세스이다. 이들은 하나 이상의 CPU에서 동시에 실행된다.
- CPU를 프로세스/스레드 간에 다중화하여 동시 실행을 구현한다.

프로세스 관리 활동

운영체제는 프로세스 관리와 관련해 다음과 같은 활동에 대한 책임을 진다.
CPU에 Process와 thread를 Schedule 하기.
사용자 및 시스템 프로세스의 생성 및 삭제
프로세스 일시 정지 및 재개
Process Synchronization(프로세스 동기화)를 위한 기법 제공
Process Communication(프로세스 통신)을 위한 기법 제공
교착 상태 처리 등..

1.7 메모리 관리

주 메모리(Main Memory)는 일반적으로 CPU가 직접 주소를 지정할 수 있고, 그리고 직접 접근할 수 있는 유일한 대량 메모리이다.
예를 들어, CPU가 디스크에서 가져온 데이터를 처리하려면, 이들 데이터는 CPU가 생성된 입출력 호출에 의해 먼저 주 메모리로 전송되어야 한다. 마찬가지로 CPU가 명령을 수행하기 위해서는 명령이 주 메모리 내에 있어야 한다.
- 모든 명령어는 실행을 위해 메모리(RAM)에 있어야 한다.
- 모든 데이터는 처리 전후에 메모리(RAM)에 존재해야 한다.
- 여러 프로그램을 메모리에 보관하여 CPU 사용률을 최적화하고, 컴퓨터가 사용자에게 빠르게 반응하도록 한다.
- 메모리 관리는 무엇을 언제 메모리에 올릴지 결정한다.
메모리 관리를 위한 몇 가지 활동
- 현재 메모리가 어떤 부분이 사용 중인지, 누가 사용하는지 추적한다.
- 어떤 프로세스(혹은 그 일부)와 데이터를 메모리로 이동시킬지 또는 메모리에서 이동시킬지 결정한다.
- 필요에 따라 메모리 공간을 할당하고 해제한다.

저장 장치 관리

운영 체제는 정보 저장소에 대한 일관된 논리적 뷰를 제공한다.
- 저장 장치의 물리적 속성을 추상화하여 논리적 저장 단위인 파일로 제공한다.
- 운영 체제는 파일을 물리적 매체에 매핑하고, 저장 장치를 통해 파일에 접근한다.
저장장치 관리를 위한 몇 가지 활동
- 파일 시스템 관리
- 대용량 저장 장치 관리
- 캐싱
- I/O 서브시스템

보호 및 보안

보호
- 운영 체제가 정의한 자원에 대한 프로세스나 사용자의 접근을 제어하는 메커니즘
- 파일 접근 제어 – 사용자 ID, 그룹 ID
보안
- 시스템을 내부 및 외부 공격으로부터 방어
- 사용자 인증 (사용자 이름/비밀번호)

운영체제(Operating System) - 1. 개관

SERIES: 운영체제 (5)