운영체제 개요

운영체제(Operating System : OS)란?

컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층

 

 

운영체제의 목적

컴퓨터 시스템을 편하게 사용할 수 있는 환경을 제공해준다.

• 컴퓨터는 하드웨어 자원(CPU, 메모리, Input/output 장치(이하 I/O 장치) 등)으로 이루어져있다. 이 하드웨어의 관리방법, 작동방식을 몰라도 컴퓨터를 우리는 전원버튼만 누르면 편하게 사용할 수 있다. 이렇게 편하게 사용할 수 있는건 운영체제라는 소프트웨어가 있기 때문이다!

운영체제는 동시 사용자/프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는것 같은 환상을 제공한다.

• 동시 프로그램일 경우 : 사용자가 컴퓨터에서 여러 프로그램을 돌린다. 음악 프로그램, sns프로그램, 검색 프로그램.. 그러면 한대의 컴퓨터에서 동시에 여러 프로그램이 돌아갈텐데, 운영체제는 동시에 각각 음악, sns, 검색에 대한 결과를 낸다.
• 동시 사용자일 경우 : 이때는 컴퓨터를 서버개념으로 봐야한다. (여러 사람이 한 컴퓨터에 앉아 작업을 수행할 수 없기 때문이다.) 여러사람이 한 서버에서 각자의 작업을 해도 서버의 운영체제는 각자가 수행한 작업에 대한 결과를 낸다.

컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리한다.(중요)

• 컴퓨터의 하드웨어 자원들이 최대한의 성능을 내도록 효율성을 높인다.
  • CPU는 동시에 실행중인 프로그램들에게 짧은 시간씩 번갈아가면서 계산한다.
  • 메모리는 동시에 실행중인 프로그램들에게 메모리 공간을 적절히 분배한다.
  • 메모리는 CPU의 작업대다. '각 프로그램들을 메모리에 얼만큼 올려놔야지 CPU가 효율적으로 작업할 수 있는가'가 운영체제가 해아할 중요한 일이다.
• 특정 사용자나 프로그램의 지나친 불이익이 발생하지 않도록 형평성을 유지한다.
  • 동시에 돌아가고 있는 A, B, C 프로그램들중 A라는 프로그램을 메모리에 많이 올려놨더니 전체 성능이 크게 개선되었다. 그렇다고 B와 C 프로그램을 메모리에서 쫒아낼수는 없다.
  • 운영체제의 가장 큰 목표는 효율성을 증가시키는 것이지만, 그래도 어느정도 형평성을 유지해야한다.

 

 

컴퓨터 시스템의 기본적인 구조

입출력(I/O) 디바이스 (컴퓨터 외부)

• Input 디바이스 
  • 디스크, 키보드, 마우스  - 컴퓨터에 파일을 입력받아 넣음
• Output 디바이스
  • 디스크, 프린터, 모니터 - input 디바이스로 받은거를 컴퓨터 내부에서(cpu와 메모리) 작업하고 output 디바이스로 보낸다.

 

 

운영체제의 기능

• 컴퓨터 부팅시 운영체제가 메모리에 올라가게 된다. 운영체제는 컴퓨터가 꺼지기전까지 항상 메모리에 올라가있다.
• 운영체제 중 핵심적인 부분을 커널이라고 부르는데, 이 커널은 메모리에 항상 상주하고 있다.
• CPU가 메모리에 있는 프로그램들을 계산작업하고 있다가 키보드로 파일을 받아야지 다음 작업을 수행할 수 있는 상황이 있다고 하자.
  • 이때는 CPU가 직접 키보드로 가서 입력을 받아오지 않고 키보드에 붙어있는 작은 CPU를 통해 받아온다.
  • 이런 작은 CPU를 I/O 컨트롤러 라고 한다. (그림에 I/O 장치들 옆에 붙어있는 작은 파랑 동그라미)
  • I/O 컨트롤러가 필요한 작업을 수행하고 메모리에 올려놓으면 메인 CPU가 메모리에 올려둔 결과를 가져다가 쓴다.

 

 

CPU 스케줄링

• CPU는 동시에 실행중인 프로그램들에게 짧은 시간씩 번갈아가면서 계산한다고 하였다.
• 어느 프로그램에게 CPU 사용권을 줄지, 얼마나 오래 CPU 사용권을 줄지 결정하는걸 CPU 스케줄링 이라고 한다.
• 운영체제가 CPU 스케줄링 한다.

? 운영체제도 메모리에 올라가있는 프로그램중 하나다. 운영체제가 CPU 사용권을 다른 프로그램에게 뺏겨버렸는데, 어떻게 운영체제가 CPU 스케줄링을 할 수 있을까?

 

 

메모리 관리

• 메모리의 용량은 한정되어있다.
• 한정된 메모리를 어떻게 잘 쪼개어 쓸지 고민하는걸 메모리 관리 라고 한다.

 

 

디스크 스케줄링

• 디스크는 컴퓨터의 내부(CPU, 메모리) 보다 엄청! 느리다(CPU보다 100만배 느리다).
• 메모리에 올려져 있는 A 프로그램이 디스크에 파일이 필요하다고 요청한다. 디스크의 속도는 매우 느리기때문에 다음 B 프로그램으로 CPU 사용권이 넘어간다.
• B 프로그램도 마찬가지로 디스크에 파일이 필요하다고 요청하고, 같은 작업으로 C 프로그램으로 CPU 사용권이 넘어간다.
• C 프로그램도 마찬가지
• 그러면 디스크는 A,B,C 프로그램에 대한 요청사항을 동시에 처리해 줘야한다.
• 디스크에 먼저 요청온 순서대로 처리해줘도 되지만, 그러면 매우 비효율적이게 된다.(운영체제의 목적, 자원의 효율성에 대해 잊지말자)
• 디스크에 들어온 요청을 어떤순서로 처리할지 고민하는게 디스크 스케줄링이다.
• 디스크 스케줄링과 똑같은게 엘리베이터 스케줄링이다. 엘리베이터가 각 층에 도착하는 방식을 생각해보자.

 

 

인터럽트, 캐싱

• 빠른 CPU와 느린 I/O 장치간 속도차이를 극복하게 해주는게 인터럽트와 캐싱이다.

캐싱

• CPU가 I/O장치에 파일이 필요할때마다 매번 요청하는게 아니라, 자주 필요한 파일은 캐시에 저장해서 요청없이 바로 꺼내쓸 수 있다.
• 이 작업을 캐싱이라고 한다.
• I/O 장치뿐만 아니라 메모리에도 캐시가 있고 캐싱할 수 있다.

인터럽트

• CPU가 I/O 컨트롤러에게 필요한 파일을 요청한다. 앞서 말했듯 I/O 장치는 CPU에 비해 속도가 매우 느리다.
• I/O장치가 작업을 다할때까지 CPU가 가만히 앉아서 놀순 없기 때문에 다음 프로그램으로 작업이 넘어간다.(CPU 스케줄링)
• CPU가 다른 프로그램을 작업하고 있는데 아까 요청했던 I/O 요청이 다 끝났다.
• 그러면 해당 I/O 장치의 I/O 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 걸어서 아까 요청했던 작업 다했다고 알려준다.
• CPU는 프로그램들의 명령어들을 하나하나 수행하면서, 명령어 수행이 끝나면 하는 작업이 있다. 바로 인터럽트 체크다.
• CPU가 인터럽트를 받았으면 CPU 사용권은 자동적으로 운영체제로 넘어가게 된다.
• 그러면 운영체제는 무슨 인터럽트가 들어왔는지 확인하고 그에 맞는 작업을 하게된다.