운영체제(OS) - 운영체제란 무엇인가 (1)

2021-11-28 3 분 소요

본 글은 (KOCW) 운영체제, 이화여자대학교 반효경 교수님의 강의를 듣고 내용을 요약 및 정리했습니다.
개인 공부에 목적이 있으며, 자세한 사항은 여기를 참고하시면 됩니다.

Chapter 1.
- 강의소개 - 28분
- Introduction to Operating Systems - 1시간 8분

(+) 인프런의 주니온 박사님의 운영체제 공룡책 강의를 듣고 내용을 보충했습니다. 자세한 사항은 여기를 참고하시면 됩니다.

운영체제란 무엇인가?

운영체제(Operating System, OS): 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
- operating system : a software that operates a computer system
- operating system : a program running at all times on the computer to provide system services to application programs to manage processes, resources, user interfaces, and so on
- computer : a machine that processes the information
- information : a quantitative representation that measures the uncertainty
협의의 운영체제(커널) : 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
- 커널(kernel) : 컴퓨터에서 항상 수행되는 프로그램
광의의 운영체제 : 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념

운영체제의 목적

컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
- 사용자간의 형평성 있는 자원 분배
- 주어진 자원으로 최대한의 성능을 내도록
컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공
- 운영체제는 사용자/프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공
- 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행

운영 체제의 분류

동시 작업 가능 여부

단일 작업(single tasking) : 한 번에 하나의 작업만 처리
- ex. MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음
다중 작업(multi tasking) : 동시에 두 개 이상의 작업 처리
- ex. UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음

사용자의 수

단일 사용자(single user)
- ex. MS-DOS, MS Windows
다중 사용자(multi user)
- ex. UNIX, NT server

처리 방식

일괄 처리(bath processing)
- 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
- 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
시분할(time sharing)
- 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
- 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
- interactive한 방식
실시간(Realtime OS)
- 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
  - ex. 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로보트 제어
- 실시간 시스템의 개념 확장
  - Hard realtime system (경성 실시간 시스템)
  - Soft realtime system (연성 실시간 시스템)
일괄 처리(batch processing)
- 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
- 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
- ex. 초기 Punch Card 처리 시스템

몇 가지 용어

Multitasking, Multiprogramming, Time sharing, Multiprocess 는 모두 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻한다.
- Multiprogramming은 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있음을 강조
- Time Sharing은 CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미
Multiprocessor : 하나의 컴퓨터에 CPU가 여러 개 붙어 있음을 의미.
프로그램(program) : 컴퓨터의 하드웨어에 작업을 수행하도록 지시하는 일련의 명령
부트스트랩(bootstrap) : 컴퓨터 전원을 켜고 운영 체제를 로드하는 첫 번째 프로그램
인터럽트(interrupt) : Hard는 CPU로 신호를 전송하여 언제든지 인터럽트를 트리거할 수 있다.(일반적으로 시스템 버스를 경유함)

CPU : 명령을 실행하는 하드웨어
Processor : 하나 이상의 CPU를 포함하는 물리적 칩
Core : CPU의 후면(back) 계산 단위
Multicore : 동일한 CPU에 여러 컴퓨팅 코어를 포함
Multiprocessor : 여러 프로세서를 포함
Symmetric multiprocessing (SMP) : 각 피어 CPU 프로세서는 모든 작업을 수행
Asymmetric multiprocessing : 각 프로세서에는 특정 태스크가 할당된다.
Virtualization : 단일 컴퓨터의 하드웨어를 여러 다른 실행 환경으로 추상화할 수 있는 기술
VMM : 가상 시스템 관리자 (Virtual Machine Manager)
- VMware, XEN, WSL, and so on.

CLI : 명령줄 인터페이스 또는 명령 인터프리터
GUI : 그래픽 사용자 인터페이스 (graphical user interface)
System calls : OS에서 제공하는 서비스에 대한 인터페이스를 제공한다.
API : Application Programming Interface

운영 체제의 예

유닉스(UNIX)

코드의 대부분을 C언어로 작성
높은 이식성
최소한의 커널 구조
복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
소스 코드 공개
프로그램 개발에 용이
다양한 버전 : System V, FreeBSD, SunOS, Solaris, Linux

DOS(Disk Operating System)

MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계(주 기억 장치 : 640kb)

MS Windows

MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영 체제
Plug and Play, 네트워크 환경 강화
DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
불안정성
풍부한 지원 소프트웨어

Handheld device를 위한 OS

PalmOS, Pocket PC (WinCE), Tiny OS

운영 체제의 구조

CPU 스케쥴링 : 누구한테 cpu를 줄까?
메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떻게 쪼개어 쓰지?
파일 관리 : 디스크에 파일을 어떻게 보관하지?
입출력 관리 : 각기 다른 입출력장치와 컴퓨터 간에 어떻게 정보를 주고 받게 하지? (interrupt에 의해 관리하고 있다.)
프로세스 관리 : 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환, 프로세스 간 협력
그 외 : 보호 시스템, 네트워킹, 명령어 해석기(command line interpreter)

Program execution : 메모리에 프로그램 로드 및 실행하는 것을 의미한다.
I/O operations : 실행 중인 프로그램은 I/O를 필요할 수 있다.
File-system manipulation : 프로그램은 파일과 디렉토리를 생성(create), 삭제(delete), 읽기(read), 쓰기(write)를 한다.
Communications : 프로세스는 동일한 컴퓨터 또는 네트워크를 통해 컴퓨터 간에 정보를 교환한다.
- 공유 메모리 또는 메시지 전달을 통해서
Error detection : 끊임없이 에러 가능성을 감지한다.
Resource allocation : 여러 사용자 또는 여러 작업을 동시에 실행할 경우 각 사용자에게 리소스를 할당해야 한다.
- 리소스 유형으로 CPU 사이클, 메인 메모리, 파일 스토리지, I/O 디바이스들이 있다.
- Accounting : 어떤 사용자가 얼마나 많은 컴퓨터 리소스를 사용하는지 추적한다.

현대 컴퓨터의 작동 방식

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