운영체제와 컴퓨터의 요소

운영체제에 대해 저번 포스팅에 올린 기억이 있는데, 조금 더 세부적이고 자세한 내용을 공부하고 싶어서 다시 올려보기로 했다!

 

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운영체제와 컴퓨터

운영체제

하드웨어와 소프트웨어를 관리하는 일꾼

• 역할
  • CPU 스케줄링과 프로세스 관리를 담당한다.
    • CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
  • 메모리 관리
    • 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
  • 디스크 파일 관리
    • 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리한다.
  • I/O 디바이스 관리
    • I/O 디바이스들(마우스, 키보드 등)과 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.
• 구조

시스템콜

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스

유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출 할 때 사용한다.

동작 과정
1. 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동
2. 올바른 I/O 요청인지 확인
3. 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행
4. 커널모드로 들어가서 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤 로직 수행 

장점

컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 다른 프로그램으로부터 보호가 가능하다.

네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 구현 할 수 있다.

modebit

시스템콜이 작동될 때 유저 모드인지 커널 모드인지 구분하기 위한 플래그 변수

0: 커널 모드

1: 유저 모드

유저 모드: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
커널 모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드 

컴퓨터의 요소

CPU(Central Processing Unit)

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치다.

인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼과 같은 존재다.

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

• 제어 장치
  • 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
  • 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리 순서를 결정한다.
• 레지스터
  • CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억 장치
  • CPU와 직접적으로 연결되어 있어서 연산 속도가 메모리보다 수십배에서 수백배 빠르다.
  • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
• 산술 연산 장치
  • 덧셈, 뺄셈과 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱과 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

CPU의 연산 처리 과정

1. 제어 장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드한다.
2. 제어 장치가 산술논리연산장치에게 레지스터에 있는 값을 계산하라고 명령한다.
3. 제어 장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장한다.

 

인터럽트

어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것

예) 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생

 

만약 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 백터로 가서 인터럽트 햄들러 함수가 실행된다.

인터럽트 간에는 우선순위가 존재한다.

인터럽트 핸들러 함수

인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수.
커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며, request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

 

• 하드웨어 인터럽트
  • 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 등의 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트
• 소프트웨어 인터럽트
  • 트랩이라고도 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 과부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이다.

하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

 

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어등을 기록하는 장치

보통 RAM이라고 부른다.

CPU는 일꾼이고 메모리는 작업장이며, 작업장의 크기가 곧 메모리의 크기라고 볼 수 있다.

타이머

몇 초 안에는 작업이 끝나야한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 한다.

시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말한다.

 

 

전반적인 운영체제의 의미와 역할을 다시 정리 할 수 있게 되었고 컴퓨터 구성 요소들과 그 요소들 간의 역할을 간단하게 공부할 수 있었다! 이전에는 컴퓨터 구성에 대해 잘 알지 못했었는데 이번 공부를 통해 컴퓨터가 어떤식으로 구성되어 있는지 좀 더 명확하게 알 수 있었다. 기본적인 개념인 만큼 잘 알아두는 것이 좋을 것 같다.

 

 

참고 문헌

면접을 위한 CS 전공지식 노트