Eunhye Kim

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[OS 공룡책] Chapter 1. 서론

본 포스트는 공룡책이라 불리는 Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne의 Operating System Concept 10th 을 바탕으로 작성하였습니다.

운영체제(operating system) 는 응용 프로그램을 위한 기반을 제공하고 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 사이에서 중재자 역할을 수행하는 컴퓨터 하드웨어를 관리하는 소프트웨어이다.

1.1 운영체제가 할 일 (What Operating Systems Do)

컴퓨터 시스템의 구성 요소

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  • 하드웨어(hardware)
    • 중앙처리장치(CPU), 메모리, 입출력(I/O)장치
  • 운영체제(operating system)
  • 응용 프로그램(application program)
    • 워드프로세서, 스프레드시트, 컴파일러, 웹 브라우저
  • 사용자(user)

1.1.3 운영체제의 정의

운영체제의 보편적인 정의는 없지만, 일반적인 정의로써는 컴퓨터에서 항상 실행되는 프로그램, 커널(kernel)이라고 한다.

커널과 함께 두 가지의 다른 프로그램이 있다:

  • 시스템 프로그램(system program)
    • 운영체제와 관련은 있지만 반드시 커널의 일부일 필요는 없다.
  • 응용 프로그램(application program)
    • 시스템 작동과 관련없는 모든 프로그램을 포함한다.

1.2 컴퓨터 시스템의 구성 (Computer-System Organization)

보통의 컴퓨터 시스템은 다음과 같이 구성된다:

  • 하나 이상의 CPU
  • 버스(bus)
    • 구성 요소와 공유 메모리 사이를 연결하여 액세스를 제공
  • 여러 장치 컨트롤러(device controller)
    • 디스트 드라이브, 오디오 장치, 그래픽 디스플레이 등등

1.2.1 인터럽트 (Interrupt)

하드웨어는 어느 순간이든 시스템 버스(system bus)를 통해 CPU에 신호를 보내 인터럽트(interrupt)를 발생시킬 수 있다.

기본 인터럽트 메커니즘

  1. 장치 컨트롤러가 인터럽트 요청 라인(interrupt request line)에 신호를 보내 인터럽트를 발생(raise)
  2. CPU가 인터럽트를 포착(catch)
  3. 인터럽트 번호를 읽고 이 번호를 인터럽트 벡터(interrupt vector)의 인덱스로 사용하여 인터럽트 핸들러 루틴(interrupt-handler routine)으로 점프
  4. 인터럽트 핸들러로 디스패치(dispatch)
    • 작업 중에 변경될 상태 저장
    • 인터럽트 원인 확인
    • 필요한 처리 수행
    • 상태 복원 수행
    • return_from_interrupt 명령어 실행하여 CPU를 인터럽트 전 실행 상태로 되돌림
  5. 장치를 서비스하여 인터럽트 지움(clear)

1.2.2 저장장치 구조 (Storage Structure)

부트스트랩 프로그램(bootstrap program) 은 컴퓨터 전원을 켤 때 가장 먼저 실행되어 운영체제를 적재(load)하는 프로그램이다.

bootstrap은 부츠같은 발목이 높은 신발을 신을 때 잡고 신을 수 있게 위쪽에 달려있는 끈을 의미한다.

폰 노이만 구조(von Neumann architecture) 시스템 에서 실행되는 전형적인 명령(instruction) 실행 사이클

  1. 메모리로부터 명령을 인출(fetch)
  2. 그 명령을 명령 레지스터(instruction register)에 저장(store)
  3. 명령을 해독(decode)
    • 메모리로부터 피연산자(operands)를 인출하여 내부 레지스터(internal register)에 저장하도록 유발할 수 있음
  4. 피연산자에 대해 명령을 실행(execute) 한 후에 결과가 메모리에 다시 저장될 수 있다.

대부분의 컴퓨터 시스템은 메인 메모리가 휘발성 저장장치에 용량이 너무 작은 부분을 보완하기 위해 메인 메모리의 확장으로 보조저장장치(secondary storage) 를 제공한다. 가장 일반적인 보조저장장치는 아래와 같다:

  • 하드 디스크 드라이브(HDD)
  • 비휘발성 메모리(NVM - nonvolatile memory) 장치

다른 장치에 저장된 자료의 백업 사본을 저장하기 위해 특수 목적으로만 사용하기 때문에 매우 느리고 충분히 큰 장치를 3차 저장장치(tertiary storage) 라고 한다.

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다양한 저장장치 시스템 간의 주요 차이점은 속도(access time), 크기(storage capacity), 그리고 휘발성(volatility)에 있다

1.2.3 입출력 구조 (I/O Structure)

인터럽트 구동(interrupt-driven) I/O의 형태는 소량의 데이터를 이동할 때는 좋지만 NVS(nonvolatile storage) I/O와 같은 대량 데이터 이동에 사용될 때 높은 오버헤드를 유발할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 CPU의 개입없이 메모리로부터 자신의 버퍼장치로, 또는 반대로 데이터 블록 전체를 전송하는 직접 메모리 액세스(DMA - direct memory access) 가 사용된다.

  • 바이트 단위가 아닌 블록 단위로 인터럽트가 발생
  • 장치 컨트롤러가 전송작업을 하는 동안 CPU는 다른 작업 수행 가능

1.3 컴퓨터 시스템 구조 (Computer System Architecture)

컴퓨터 시스템은 사용된 범용 처리기(processor)의 수에 따라 분류 가능하다.

1.3.1 단일 처리기 시스템 (Single-Processor Systems)

과거, 대부분의 컴퓨터 시스템은 단일 처리 코어(core)를 가진 하나의 CPU를 포함하는 단일 프로세서를 사용했다.

  • 코어(core) 는 명령을 실행하고 로컬로 데이터를 저장하기 위한 레지스터를 포함하는 구성요소

1.3.2 다중 처리기 시스템 (Multiprocessor Systems)

일반적으로 멀티프로세서 시스템에는 각각 단일 코어 CPU가 있는 두 개 이상의 프로세서가 있다. 주요 장점은 처리량 증가이다. 즉 프로세서 수를 늘리면 더 적은 시간에 더 많은 작업을 수행할 수 있다. 하지만 N개의 프로세서를 사용한다고 N배만큼 빨라지는 것은 아니다.

가장 일반적인 멀티프로세서 시스템은 SMP(symmetric multiprocessing) 을 사용한다.

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  • SMP: 각 피어 CPU 프로세서가 운영체제 기능과 사용자 프로세스를 포함한 모든 작업을 수행
  • 많은 프로세스를 동시에 실행할 수 있다는 장점을 가짐
  • CPU가 독립적이기 때문에 하나는 유휴 상태(idle)이고 다른 하나는 과부하(overloaded)가 걸려 비효율적일 수 있음
    • 프로세서가 특정 자료구조를 공유하면 비효율성을 피할 수 있음

멀티프로세서의 정의는 시간이 지남에 따라 발전해 왔으며 이제는 다중 코어(multicore) 시스템을 포함한다.

  • 멀티코어: 여러 개의 컴퓨팅 코어가 단일 칩에 상주하는 것을 의미
    • 칩 내 통신이 칩 간 통신보다 빠르므로 멀티코어 시스템은 싱글코어를 가지는 여러 칩보다 효율적일 수 있다.
    • 여러 개의 단일코어 칩보다 하나의 멀티코어 칩이 훨씬 적은 전력을 사용한다.

1.4 운영체제의 작동 (Operating-System Operations)

또 다른 형태의 인터럽트는 트랩(trap) 또는 예외(exception) 로, 오류(0 으로 나누거나 유효하지 않은 메모리 액세스)나 사용자 프로그램의 특정 요청으로 발생하는 소프트웨어 생성 인터럽트이다. 이러한 특정 요청은 시스템 콜(system call) 이라는 특수 연산을 실행하여 요청되고 운영체제가 제공하는 서비스가 수행될 것을 요구한다.

1.4.1 다중 프로그래밍과 다중 태스킹 (multiprogramming and multitasking)

다중 프로그래밍(multiprogramming) 은 한 번에 둘 이상의 프로그램을 실행하는 것을 의미한다.

  • CPU가 항상 한 개는 실행하도록 프로그램을 구성하여 CPU 이용률(utilization)을 높인다.
  • 멀티프로그래밍 시스템에서 실행 중인 프로그램을 프로세스(process)라고 한다.
  1. 운영체제는 여러 프로세스를 동시에 메모리에 유지
  2. 이러한 프로세스 중 하나를 선택해 실행
  3. 멀티프로그래밍 시스템이 아닐 경우에는 I/O 작업과 같은 일부 작업이 완료 될 때까지 CPU가 유휴(idle)상태로 기다릴 수 있지만, 멀티프로그래밍 시스템에서 운영체제는 단순히 다른 프로세스로 전환하여 실행
  4. 해당 프로세스가 또 대기해야 할 경우, CPU는 또 다른 프로세스로 전환
  5. 결과적으로 첫 번째 프로세스가 대기를 마치고 CPU를 다시 돌려받는다.
  • 위의 과정을 통해 멀티프로그래밍 시스템에서는 CPU가 하나 이상의 프로세스를 실행해야하는 한 유휴상태로 남아 있지 않는다는 것을 알 수 있다.

다중 태스킹(multitasking) 은 멀티프로그래밍의 논리적 확장이다.

  • 멀티태스킹 시스템에서는 CPU가 여러 프로세스를 전환하며 프로세스를 실행하지만 전환이 자주 발생하여 사용자에게 빠른 응답시간(response time)을 제공하게 된다.
    • 사용자가 타이핑 속도가 빠르던, 느리던, 그것에 구애받지 않고 I/O작업이 수행될 때는 다른 프로그램으로 전환하여 CPU를 쉬지 않게 함
  • 동시에 여러 프로세스를 메모리에 유지하기 위한 메모리 관리 방식이 필요하며, 여러 프로세스가 동시에 실행될 준비가 되면 시스템은 다음에 실행할 프로세스를 선택해야 하는데, 이러한 결정을 내리는 것을 CPU 스케줄링(CPU scheduling) 이라고 한다.
  • 멀티태스킹 시스템에서는 운영체제가 적절한 응답시간을 보장해야하는데 이를 위한 일반적인 방법은 가상 메모리(virtual memory) 다.
    • 일부만 메모리에 적재된 프로세스의 실행을 허용하는 기법
    • 프로그램이 물리 메모리(physical memory)의 크기보다 더 커도 된다.
    • 메인 메모리를 크고 균등한 저장장치의 배열로 추상화하여, 사용자에게 보이는 논리 메모리(logical memory)를 물리 메모리로부터 분리시킨다.
      • 프로그래머를 메모리 저장장치의 한계로부터 자유롭게 해줌

1.4.2 이중모드와 다중모드 운용 (Dual-Mode and Multimode Operation)

시스템을 올바르게 실행하기 위해 운영체제 코드 실행과 사용자 정의 코드 실행을 구분할 수 있어야 한다. 그를 위해 적어도 두 개의 독립된 연산 모드, 즉 사용자 모드(user mode) 와 커널 모드(kernel mode) 를 필요로 한다.

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  • 커널 모드는 수퍼바이저 모드(supervisor mode), 시스템 모드(system mode), 혹은 특권 모드(privileged mode) 로도 부른다.
  • 모드 비트(mode bit)로 현재 모드를 나타낸다
    • 커널 모드(0), 사용자 모드(1)
  • 사용자 모드에서 시스템 콜을 호출하면 커널 모드로 전환(모드 비트 0으로 변경)하여 시스템 콜을 실행하고 다시 사용자 모드로 복귀(모드 비트 1로 설정)한다.

1.7 가상화 (Virtualization)

가상화(virtualization)는 단일 컴퓨터의 하드웨어를 여러 가지 실행 환경으로 추상화하는 기술이다.

  • 그렇게 추상화된 개별 환경이 자신만의 컴퓨터에서 실행되고 있다는 환상을 만들어준다.

가상머신(virtual machine)의 사용자는 단일운영체제에서 동시에 실행되는 프로세스들을 전환하는 방식과 동일한 방식으로 운영체제간의 전환을 할 수 있다.

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가상머신 관리자(VMM - virtual machine manager)는 게스트(guest) 운영체제를 수행하고 그들의 자원이용을 관리하며 각 게스트를 서로로부터 보호한다.

  • VMware, XEN, WSL 등등
  • 가상화가 하나의 호스트(host) 운영체제에서 다른 게스트(guest)운영체제를 사용가능하게 해주는 기술이라면, VMM은 가상 머신 프로세스에게 서비스 및 자원관리를 제공하는 호스트 운영체제 그 자체이다.

1.10 계산 환경 (Computing Environments)

1.10.2 모바일 컴퓨팅 (Mobile Computing)

휴대용 스마트폰과 태블릿 컴퓨터의 컴퓨팅 환경을 말한다

  • 이동 가능하고 가볍다는 물리적인 특징
  • 두 가지의 지배적인 운영체제
    • Apple iOS
    • Google Android

1.10.3 클라이언트 서버 컴퓨팅 (Client-Server Computing)

서버 시스템이 클라이언트 시스템이 생성한 요청(request)을 제공(response)하는 배치가 특징이다.

  • 대표적인 예로 Web

1.10.4 피어 간 계산 (Peer-to-Peer Computing)

클라이언트와 서버가 서로 구별되지 않고, 시스템 상의 모든 노드가 피어(peer)로 간주되어 각 피어가 서비스를 요청(request)하느냐 제공(response)하느냐에 따라 클라이언트 및 서버로 동작한다.

1.10.5 클라우드 컴퓨팅 (Cloud Computing)

계산, 저장장치는 물론 응용조차도 네트워크를 통한 서비스로 제공하는 계산 유형이다.

  • 어떤 면에서는 가상화를 클라우드 컴퓨팅의 기반으로 사용하기 때문에 가상화의 논리적 확장이라 볼 수 있다.
  • 공공(public) 클라우드: 서비스를 위해 지불 가능한 사람은 누구나 인터넷을 통해 사용 가능한 클라우드
    • AWS, Azure
  • 사유(private) 클라우드: 한 회사가 사용하기 위해 운영하는 클라우드
  • 혼합형(hybrid) 클라우드: 공공과 사유 부분을 모두 포함하는 클라우드
  • 소프트웨어 서비스(software as a service, SaaS): 인터넷을 통해 사용 가능한 하나 이상의 응용(application)
    • 워드 프로세서, 스프레드 시트
  • 플랫폼 서비스(platform as a service, PaaS): 인터넷을 통해 사용하도록 앱 사용에 맞게 준비된 소프트웨어 스택
    • 데이터베이스 서버
  • 하부구조 서비스(infrastructure as a service, IaaS): 인터넷을 통해 사용 가능한 서버나 저장장치
    • 생산 데이터의 백업 복사본을 만들기 위한 저장장치
    • Amazon의 AWS, Microsoft의 Azure

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