운영체제와 컴퓨터

본 포스팅은 '면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성되었습니다.

 

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
2. 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
3. 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. I/O 디바이스 관리: I/O디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

운영체제의 구조

• GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도로 도와주는 사용자 인터페이스의 형태.
• 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
• CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

시스템 콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스.
• 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
• 과정
  1. 유저 프로그램이 I/O요청으로 trap을 발동
  2. 올바른 I/O 요청인지 확인
  3. 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환

fs.readfile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수 발동 예시

• 유저 모드가 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 유저프로그램의 로직을 수행
• 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근 차단 가능
• 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호 가능

• 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떤 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 OS에 전달
• 시스템콜은 하나의 추상화 계층
• 따라서 낮은 단계의 영역처리(네트워크, DB)에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있음.

modebit

• 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수
• 시스템콜이 작동될때 modebit을 참고해 유저 모드와 커널 모드를 구분.
• 유저모드: 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
• 커널모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
• 커널: 시스템콜 인터페이스 제공. 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O디바이스, I/O 요청 관리 등 중추 역할

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컴퓨터의 구성요소

CPU(Central Processing Unit)

• 산술 논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행
• OS가 프로그램을 메모리에 올려 프로세스를 만들면 CPU가 처리

제어장치(CU, Control Unit)

• 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
• 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정

레지스터

• CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
• CPU와 직접 연결되어 있음
• CPU자체로는 데이터를 저장할 방법이 없어 레지스터를 거쳐 데이터를 전달

산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)

• 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산, 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

CPU의 연산처리

 

인터럽트

• 다른 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
• I/O디바이스(키보드,마우스)로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발
• 인터럽트 발생시 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 핸들러 함수 실행
• 하드웨어 인터럽트
  • I/O디바이스(키보드, 마우스)에서 발생하는 인터럽트
  • 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 OS에 시스템콜 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 수행
• 소프트웨어 인터럽트
  • trap이라고도 함
  • 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동.

 

DMA 컨트롤러

• I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 부하를 막아주며 일을 부담하는 보조 일꾼
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지