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WhatIsOS.md

File metadata and controls

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OS

OS란?

  • 컴퓨터의 사용자와 하드웨어 사이에서 가교역할을 하는 프로그램
  • 사용자 인터페이스와 자원관리를 위한 프로그램의 집합

OS 역사

  1. 1세대 - 진공관
  • IBM 701부터 운영체제 1세대로 본다 (일괄처리 시스템의 등장)
  1. 2세대 - 트랜지스터
  • CPU를 할당 받을 다수개의 작업(Multi program)이 같이 주기억장치에 있다 (다중 프로그래밍 시스템)
  • 여러개의 처리장치(Multi processor)를 장착하여 동시에 여러작업을 병렬로 처리 (다중 처리 시스템)
  1. 3세대 - 직접회로
  • 일괄처리, 시분할, 실시간작업 모두 지원 (Multi-mode)
  • TCP/IP 표준 발표, 근거리 통신망(LAN)이 이 시기 즈음 탄생
  • 1969년 UNIX 출현
  1. 4세대 - 고밀도 직접회로
  • 컴퓨터 사용의 범용화
  • 입출력 장치의 다양화
  • 저장장치의 대용량화
  • 데이터 통신의 발전
  • 정보산업 출현
  • 마이크로 프로세서의 등장 -> 가격의 범용화
  • 마이크로 프로세서: 하나의 칩에 연산, 제어, 레지스터들을 넣은 것

운영체제의 5가지 구성요소

  • 크게 Kernel과 Utility-Program으로 나눈다.
  • components-of-os

Kernel

  • 운영체제의 핵심
  • 컴퓨터가 처음 부팅될 때 주기억 장치에 적재되어 시스템종료(Shutdown)이 되기 전까지 계속 주 기억장치에 적재되어있는 프로그램
  • 빈번하게 실행되는 프로그램을 디스크에 둘 경우 주 기억장치와 디스크간의 입출력이 너무 빈번하게 일어나기 때문에 성능 저하가 있다. 즉 필수적으로 자주 쓰이는 프로그램을 메모리에 상주시키는데 이 프로그램을 Kernel이라고 한다.
  • Kernel보다 더 빠른 실행이 필요하고 높은 수준의 보호가 필요한건 마이크로 프로그래밍하여 ROM이나 PLA 같은 칩으로 만들기도 하며 이를 펌웨어(생긴건 하드웨어 내부적으론 프로그램)라고 한다.

System call이란?

  • system call
  • Kernel 영역에 있는 프로그램만 할 수 있는 것들을(Disk I/O, Memory access) 유저 수준에서 사용하길 원할 때 System call을 하여 원하는 결과물을 얻을 수 있다.

OS의 목적

  • 사용자의 편리성과 자원의 효율적 사용

부팅

  • 전원 ON -> 커널이 메모리에 올라옴(Bootstrap Loader, 부트 프로그램 등) -> 장치준비, 레지스터 초기화 -> 사용자 입력 대기

레지스터

  1. CPU는 여러개의 레지스터를 가지고 메모리보다 빠르지만 용량이 작다.
  2. 시스템과 사용목적에따라 8비트, 16비트, 32비트등의 크기를 가진다.
  3. CPU는 PSW(Program Status Word)라는 현재상태를 저장하는 레지스터가 있다.

명령어 처리

  • 명령어를 읽어 처리기에 있는 레지스터로 가져오는 것을 말함 (Fetch)

인터럽트(Interrupt)

  • 운영체제가 자원을 효율적으로 관리하기위해 각 자원의 상황을 알아야 하는데 이를 매번 조사할 수 없으니 인터럽트라는 것을 이용한다.
  • 각 자원들은 인터럽트를 통해 자신의 상태변화를 CPU에 알려줘 CPU는 폴링 방식처럼 주기적으로 시간을 들이지 않아도 각 자원의 상황을 알 수 있다.
  • 즉 CPU가 처리해야 될 일들이 있을때 하드웨어 및 소프트웨어는 인터럽트를 통해 CPU에게 알릴 수 있고 처리 된다.
  • 인터럽트는 크게 2가지로 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트(트랩)으로 나눈다.
    • 하드웨어 인터럽트 -> 하드웨어 수준에서 일어나는 인터럽트로 CPU외부의 디스크나 마우스, 키보드의 입출력 등 CPU의 처리가 필요한 상황일 때 발생한다.
    • 트랩 -> 소프트웨어 수준에서 일어나는 인터럽트로 프로그램의 예기치 못한 종료나, CPU의 처리가 필요한 상황일 때 발생한다. (e.g. system call)

인터럽트의 처리

  • CPU는 인터럽트가 들어오면 실행중이던 프로그램을 잠시 메모리에 돌려놓고 인터럽트 처리 루틴을 실행한다.
  • 인터럽트를 처리하는 과정에서 실행중이던 프로그램의 값을 잃어버릴 수 있으므로 인터럽트 처리 전에 PSW, PC 레지스터의 값등을 시스템 스택에 저장한다.
  • 인터럽트의 처리가 끝나면 PC나 PSW 정보를 CPU에 되돌리고 작업중이던 프로그램을 이어서 처리할 수 있다.
  • 이러한 일련의 과정을 Context Switching이라고 한다.

중첩된 인터럽트의 처리

  • 하나의 인터럽트가 끝난 뒤 다음 인터럽트를 처리하는 순차적 처리 혹은 Context Switching을 중첩하여 처리할 수 있다.
  • 우선순위가 더 높은 인터럽트가 들어 왔을 때 중첩하여 처리하기도 한다.

기억 장치의 계층적 구조

  • 기억 장치의 계층적 구조
  • Access Time, 용량, 가격(bit당 단가)의 차이로 분류 가능
  • 속도가 높으면서 가격이 비싼게 있고, 속도가 느리고 가격이 싸며 용량이 높은 것들이 있으므로 용도에 맞게 저장장치를 계층적으로 잘 구성해야한다.

I/O 방식

  1. Programmed I/O
  • CPU가 입력을 지시 후 컨트롤러 버퍼를 계속 확인한다.
  • 인터럽트가 필요없는대신 다른 CPU 작업을 못한다.
  1. Interrupt-driven I/O
  • Programmed I/O와 다르게 CPU를 다른작업에 활용 가능
  • 잦은 Interrupt가 단점이다 (잦은 Context Switching이 발생)
  1. Direct Memory Access(DMA)
  • CPU대신 입출력 작업을 해줄 Channel이라는 Satellite processor를 이용하는 방식
  • CPU는 입출력할 데이터의 시작 주소와 크기등을 Channel에 알려준다.
  • 한번의 입출력(Block)단위로 CPU에게 인터럽트하므로 Interrupt-driven I/O보다 인터럽트가 적다.

Hardware 구성에 따른 입출력

  1. Isolated I/O(독립적 입출력)
  • 입출력 장치들이 입출력 버스(I/O Bus)를 통해 CPU와 연결되어 있는 경우
  • I/O Bus를 통해 해당장치의 지정, 데이터, 입출력을 구분해주는 제어 값이 전달됨
  • 입출력 명령어가 Instruction set에 추가되어 제어로직이 복잡해지고, I/O Bus를 장착하는데 추가 비용이 있다.
  1. Memory-mapped I/O(메모리 주소지정 입출력)
  • 입출력 장치들이 메모리와 함께 Memory Bus에 연결됨
  • 입출력 명령어가 따로 없고 메모리 명령어를 사용한다.
  • 메모리에 추가적인 공간을 차지하는게 단점이다.