💻 운영체제 들어가기

📌 개요

개인용 컴퓨터: Windows / MacOS

대형 컴퓨터, 서버: Unix / Linux

스마트폰, 테블릿: Android / IOS

스마트워치, 냉장고, 세탁기: Embeded OS

❓컴퓨터는 운영체제가 있어야 동작하는가?

✅ 없어도 동작은 가능하지만 처음 설계를 제외한 다른 기능 추가가 불가(유연성 X) - 전화기(통화만 가능) / 스마트폰(업데이트 및 설치)

운영체제가 하는 일

1⃣ 프로세스 관리 (CPU)

→ 여러 프로그램을 동시에 실행하고, CPU 자원을 효율적으로 배분

2⃣ 메모리 관리 (메모리)

→ 실행 중인 프로그램이 필요한 메모리를 할당하고 관리

3⃣ 하드웨어 관리 (하드웨어)

→ 키보드, 마우스, 프린터 등 장치를 제어하고 하드디스크 특정 영역의 데이터 저장관리

4⃣ 파일 시스템 관리 (파일)

→ 하드디스크의 효율적인 파일 저장과 관리

📌 역사

🗓 1940년대

- 미국 펜실베니아 대학교에서 미국 탄도 계산을 위해 30톤 무게의 전자 디지털 계산기 발명

- 종이에 수기로 작성하여 테스트 진행 후, 수동으로 스위치와 배선을 연결하여 프로그래밍

- 펀치 카드를 이용한 입출력은 속도가 느리며 진공관의 유지 보수 비용도 크다.

- 하드웨어의 비용이 비싸기에, CPU의 효율적인 활용이 중요해진다.

🗓 1950년대

- 아주 작은 크기의 직접회로 개발.

- 컴퓨터가 삽입된 펀치카드를 직접 읽어 계산하고 프린터로 출력.

- 기존 과정 (오버헤드 과다 발생)

1. 프로그래머가 오퍼레이터에게 펀치카드 전달.

2. 펀치카드를 컴퓨터에 삽입 후, 결과 도출.

3. 오퍼레이터가 결과를 프로그래머에게 전달.

- 싱글 스트림 배치 시스템 (Single-stream Batch Processing Systems)

1. 오퍼레이터에게 여러개의 펀치카드를 전달.

2. 컴퓨터는 다수의 펀치카드를 한 번에 하나씩 읽어가며 결과를 도출

- 입출력 관리자(I/O Device Controller) 를 개발하여 입출력 중에도 CPU 계산 가능

- 입출력이 끝나면 CPU에게 인터럽트 신호를 주고, CPU는 신호를 받아 처리

- 출력은 CPU와 입출력 관리자 분리가 가능하지만, 입력은 작업이 완료되어야지만 처리가 가능하여 어쩔 수 없이 CPU의 대기가 필요해짐.

🗓 1960년대

- 시분할 시스템(Time Sharing System)

- CPU 시간을 여러 개의 프로그램에 분배하여 동시에 실행되는 것 같은 효과 제공

- 하나의 컴퓨터에 다수의 터미널을 연결시켜, 여러 사용자의 작업이 가능해짐.

- 벨 연구소에서 유닉스(UNIX) 운영체제 개발

- 멀티 프로그래밍: 여러 개의 프로그램 동시 실행 가능

- 다중 사용자: 여러 사용자가 한 대의 컴퓨터를 공유하여 사용

- 트리구조 파일 시스템: 루트("/")를 기준으로 파일과 디렉터리가 계층형 구조로 정리

- 보안 및 접근 권한: 파일, 디렉터리에 대한 권한('r', 'w', 'x') 설정 가능

- 높은 이식성: 다양한 하드웨어에 쉽게 적용 가능

- 쉡 기반 CLI 제공: GUI가 아닌 CLI를 통해 운영

- 여러 프로그래밍 간 메모리 영역을 침범하는 문제 발생

🗓 1970 ~ 1980년대

- 개인용 컴퓨터의 등장(애플 맥킨토시, MS DOS)

- GUI(Graphic User Interface)의 등장

🗓 1990 년대

- GUI 환경의 개인용 컴퓨터의 보급으로 다양한 응용 프로그램 등장

- Excel, Word - Winow 운영체제의 대중화

- UNIX를 기반으로 한 오픈소스 LINUX 운영체제의 등장

➡ CPU의 효율성과 오버헤드의 감소를 위한 고민이 끊임없이 이루어짐.

📌 구조

1. 사용자는 인터페이스를 통해 커널에 접근

- GUI: 그래픽으로 커널과 상호작용으로 일반 사용자도 접근 가능

- CLI: 텍스트 형태의 명령어로 커널과 상호작용

2. 어플리케이션을 시스템 콜을 통해 커널 접근

어플리케이션이 직접 커널에 접근하여 하드 디스크에 파일을 저장할 경우, 중요한 데이터의 손실이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 시스템 콜을 이용하여 운영체제를 통해 하드디스크의 빈 공간에 데이터를 저장한다.

3. 커널이 하드웨어에 접근

드라이버를 통해 커널은 하드웨어에 접근할 수 있다. 커널이 모든 하드웨어에 대한 드라이버를 저장할 수는 없으니, 하드웨어의 제조사에서 드라이버를 만들어 제공하고 커널이 이를 설치하면 접근 가능하다.

📌 컴퓨터 하드웨어와 구조

기존에는 하드웨어로 프로그램을 만들었기에, 프로그램의 수정마다 배선와 스위치를 수동으로 변경해야 한다.

✅ 폰 노이만 구조 (Von Neumann Architecture)

1. 프로그램 내장 방식

- 프로그램과 데이터가 같은 메모리에 저장

- 실행한 명령어를 CPU가 메모리에서 읽어와 수행

2. 순차적 명령 실행

- CPU는 한 번에 하나의 명령어를 순차적으로 실행

3. 메모리, CPU, 입출력 장치로 구성

- CPU(Central Pocessing Unit)

1. 산술논리 연산장치: 실제로 데이터 연산을 담당

2. 제어장치: 모든 장치들의 동작을 제어하고 지시

3. 레지스터: CPU내에 계산을 위해 임시적으로 저장하는 공간

- Memory

1. RAM: 랜덤으로 데이터를 읽어도 속도는 일정, 휘발성

2. ROM: 전력이 끊겨도 데이터 저장이 되지만 수정 불가 (BIOS)

- 입출력 장치: 사용자와 컴퓨터 간 데이터 입/출력 관리

📌 컴퓨터 부팅 과정

1. 컴퓨터의 전원을 누름

2. ROM에 저장된 BIOS 실행

1. CPU, RAM, 하드웨어에 이상 여부를 확인

2. 이상이 없다면 하드디스크에 저장된 마스터 부트 레코드를 메모리로 올림

3. 운영체제 동작

3. 모니터에 운영체제의 동작을 실행

✅ 마스터 부트 레코드(Master Boot Record, MBR)

하드디스크, SSD, USB등 저장장치에서 부팅과 파티션 정보를 관리하는 0번 섹터

1. 부트 로더(bootloader) 저장 - BIOS가 MBR을 읽고 부트 로더를 실행하여 운영체제로 부팅

2. 파티션 정보 저장

- 디스크의 파티션 구조를 관리 (최대 4개의 파티션)

3. 디스크 식별

- 디스크의 고유한 식별 정보를 포함

📌 인터럽트

✅ 폴링(Polling)

CPU가 지속적으로 장치나 하드웨어의 상태를 확인하여 필요한 작업을 처리하는 방식.

- CPU의 비효율적인 자원 소모

- 다수의 장치를 관리할 수록 CPU는 주기적으로 다수의 장치를 확인해야 하므로 다른 중요한 작업의 처리 속도가 느려질 수 있다.

- 상태 확인 주기와 타이밍

- 처리가 완료되어도 다음 폴링 주기까지 기다려야 하며 사용자 응답 또한 지연된다.

✅ 인터럽트(Interupt)

프로세서가 현재 실행 중인 작업을 중단하고, 중요한 작업이나 이벤트를 즉시 처리

- 하드웨어 인터럽트

- 시스템 외부의 하드웨어 장치에서 발생한 이벤트에 반응

- 소프트웨어 인터럽트

- 소프트웨어, 프로그램에 의해 발생