면접을 위한 CS전공지식 노트 [ 운영체제와 컴퓨터 ]

1. 운영체제와 컴퓨터

3.1.1

운영체제의 역할

CPU 스케쥴링과 프로세스 관리
- CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당 할지
- 프로세스의 생성과 삭제
- 자원 할당 및 반환 관리
메모리 관리
- 한정된 메모리에 어떤 프로세스를 할당해야 하는지
디스크 파일 관리
- 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관 할지
I/O 디바이스 관리
- 마우스, 키보드 와 컴퓨터간에 데이터를 주고 받는 것을 관리

구조

유저 프로그램 < GUI = 시스템 콜 = 커널 = 드라이브 < 하드웨어

— GUI, 시스템 콜, 커널, 드라이브 ) 운영체제

GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스

GUI : 사용자가 전자 장치와 상호 작용 하는 사용자 인터페이스의 형태, 단순 명령창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순 동작으로 컴퓨터와 상호작용

드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

시스템 콜

운영 체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 할 때 쓴다.

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

이 때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다. - 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

I/O요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크 파일 접근 등에 관한 일

메모리(프로세스, 스레드) ⇒ 시스템 콜 ⇒ 커널 ⇒ OS

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달 된다.

시스템 콜은 하나의 추상화 계층

시스템 콜을 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고, 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

modebit

시스템 콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
I 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수
카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다.

ex) 카메라를 켜는 프로그램 → 만약 유저모두를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등 나쁜 짓을 하기가 쉽다. 물론 커널 모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동한다고 해도 100% 막을 수는 없지만, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽다.

이를 위한 장치가 modebit이다.

modebit의 0은 커널모드 , 1은 유저 모드라고 설정한다.

유저 프로그램이 카메라를 이용하려고 할 때 시스템 콜을 호출하고 modebit을 1에서 0으로 바꾸며 커널 모드로 변경한 후 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다. 이후 modebit을 0에서 1로 바꿔서 유저모드로 변경하고 이후 로직을 수행한다.

유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역, 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드

커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

커널 : 운영체제의 핵심, 시스템콜 인터페이스를 제공한다, 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할 수행

3.1.2 컴퓨터의 요소

컴퓨터

CPU, DMA컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져있다.

CPU(Central Processing Unit)

산술 논리 연산 장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼

관리자 → 커널 → HDD or SSD,(프로그램) → 메모리(RAM) 프로세스 < = > 일꾼

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

제어장치 (CU, Control Unit)

프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터

CPU안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배 까지 빠르다.
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

think. 그럼 레지스터에 저장되고, CPU로 보내기에 이전 데이터도 잠시 머무를 수 있어서 빠르게 불러 올 수도 있고, 저장 장치 이기에, 이미 처리된 데이터가 저장되어서 미리 빠르게 불러 들일 수 있을 것같다.?

산술논리연산장치(ALU, Arihmetic Logic Unit)

덧셈, 뺄셈, 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산 하는 디지털 회로

CPU의 연산처리

제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예시

제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다, (레지스터에도 로드한다)
제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다.

인터럽트

어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
발생종류
- 키보드, 마우스, 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트
- 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트
- 프로세스 오류

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서

인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.

인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며,

인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 로 나뉜다.

**하드웨어 인터럽트**

키보드를 연결하다거나, 마우스를 연결하는 일 등의 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트

인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.

**소프트웨어 인터럽트**

트랩(trap)이라고도 한다,

프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치

CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아 주며, CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라 보면 된다.

하나의 작업을 CPU와 DMA컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
RAM(Random Access Memory)를 메모리라 한다.
CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다.

비유 :

CPU는 일꾼, 메모리는 작업장, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기

작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다 놓고 많은 일을 할 수 있듯이

메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할

시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러(Device Controller)

컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU