운영체제 교안 : Chap03 운영체제 구조

📌 시스템 컴포넌트 / 운영체제 구조

(*컴포넌트:프로그래밍에 있어 재사용이 가능한 각각의 독립된 모듈)

오른쪽 - 읽기 쉽게 돌려둠

운영체제 기능

: 프로세스 관리, 메인 메모리 관리, 파일 관리, I/O 시스템 관리, 세컨드 저장소 관리, 네트워킹, 프로텍션 시스템

 

: 가장 위에 Command Interpreter System이 존재

: 사용자에게 보여지는 모습, 사용자가 운영체제를 볼 때 느끼는 것들이 대부분 Command Interpreter System

   > 윈도우 창, 아이콘들, 시계 등 모두 Command Interpreter System로 실행

 

* 맥 OS, Window 다르게 생김 > 이 차이는 우리가 보는 Command Interpreter System의 차이

 

 

📌  프로세스 관리

*프로세스: 메인 메모리에 탑재되어 실행중인 프로그램

*프로그램: 하드 디스크에 기록된 것. 네트워크를 통해 다운받는 것도 프로그램 > 프로세스 아님!

 

💡 운영체제 책임

1) OS는 프로세스를 생성/삭제 가능하다.

2) OS는 프로세스를 중단/재개 가능하다. (ex. 입출력을 위해 기다리는 상황에 중단, 요청이 들어오면 다시 재개)

3) OS는 프로세스끼리 동기화(동시 작동) & 협업이 가능하게 한다.

 

📌  메인 메모리 관리

- 메인메모리 관리를 위한 메모리는 대용량의 저장 공간, 각각 저장공간의 주소를 가진다.

- 기본적으로 메인 메모리는 D RAM을 사용한다. D RAM은 휘발성 메모리이다. (용량이 크고 가격이 싸서 이용된다.)

  * 휘발성 메모리란? 전원을 계속 공급해줘야 데이터가 남아있는 메모리, 전원 끄면 사라짐

 

💡 운영체제 책임

1) OS는 각각 메모리 공간이 누구에게(어떤 프로세스에게) 사용되었는 지 기록(트래킹)해야한다.

2) OS는 프로세서가 여러개가 있어서 서로 실행되기를 원할 때, 어떤 것을 먼저 메인 메모리에 옮길지 정한다.

3) OS는 필요한 메모리 공간을 할당 해주어야한다. 반대로, 프리록 메모리도 담당한다. 메모리 요청 시 남아있는 메모리 중 할당해야하는데 없으면 프리록으로 메모리를 풀어 다른 필요한 프로세스에 할당한다.

 

📌  파일 관리

- 파일은 바이트의 시퀀스입니다. 

- 일반적으로 파일은 프로그램(소스 및 객체 형식 모두)과 데이터를 나타냅니다.

- 데이터 베이스나 파일 처리 쪽에서 파일을 레코드의 집합으로 보기도 하는데, 리눅스에서는 파일을 시퀀스 오브 아이템으로 본다.

- 시퀀스는 순서와 전체 크기를 가진다. 

 

💡 운영체제 책임

- OS는 파일 생성/삭제 가능

- OS는 디렉토리 생성/삭제 가능

- 파일 및 디렉터리 조작을 위한 기본 요소 지원

- 세컨드 저장소에 파일 매핑

- 하드 디스크(비휘발성)에 파일 백업

 

📌  I/O 시스템 관리

💡 I/O 시스템은 다음으로 구성됨

- Buffer-cashing system
- General device-driver interface
- Drivers for specific hardware devices

 

📌  Secondary Storage(보조 저장장치) 관리

- 주 메모리(기본 스토리지)는 휘발성이 높고, 모든 데이터와 프로그램을 영구적으로 수용하기에는 너무 작다.

>> 그래서 대부분의 요즘 컴퓨터 시스템은 프로그램과 데이터를 위해 디스크를 주요 저장 매체로 사용한다.

 

💡 운영체제 책임

- 여유 공간 관리

- 저장소 할당

- 디스크 스케줄링

 

📌  네트워킹

- TCP/IP 프로토콜 스택

- 분산 시스템 설비

 

📌  Protection 시스템

: Protection은 프로그램, 프로세스, 또는 사용자 리소스 같은 방법으로 액세스를 제어하는 메커니즘이다.

 

💡 보호 메커니즘의 조건

- 허가된 사용 / 허가되지 않은 사용 구분 가능해야함

- 적용할 컨트롤을 지정 > ?

- 집행수단 제공

 

📌 Command Interpreter System

: 사용자로 부터 명령문을 가져오고 실행하는 역할

 

💡  대부분의 명령은 아래를 다루는 제어문을 통해 운영체제에 제공된다.

- 프로세스 생성 및 관리

- I/O 처리

- second storage 관리

- 메인 메모리 관리

- 파일 시스템 액세스

- protection

- 네트워킹

 

💡  프로그램은 명령문을 읽고 해석하는 아래같은 여러 프로그램을 호출함

> command line Interpreter

> shell (in UNIX)

 

📌 OS Services

- Program 실행 : 프로그램을 메모리에 로드하고 실행

- I/O 작업 : 사용자 프로그램은 직접 입출력 시스템을 실행할 수 없기 때문에, 운영체제가 이를 수행하기 위한 수단 제공

- 파일 시스템 조작 : 파일 읽기, 쓰기, 생성, 삭제를 위한 기능 제공

- Communications

: 네트워크에 의해 연결된 동일한 컴퓨터 or 다른 시스템에서 실행되는 프로세스 간의 정보 교환. 공유 메모리 or 메시지 전달을 통해 구현됨

- 에러 감지: CPU/메모리 하드웨어/입출력/유저 프로그램 의 오류를 감지하여 정상적인 컴퓨팅 보장

- 추가 기능 : 리소스 할당, Accounting, Protection

 

📌 System calls : 운영체제가 지원하는 함수

: 응용 프로그램과 운영체제 사이의 인터페이스를 제공해주는 것 = system call ( 운영체제가 외부에 제공하는 라이브러리라고 생각)

- 일반적으로 어셈블리 언어 명령으로 사용 가능

- 일부 언어에서는 시스템 호출 직접 수행 가능 (ex. C, C++)

 

💡 매개 변수를 전달하기 위해 사용되는 세가지 방법

- 레지스터에 매개변수 전달

- 매개변수를 메모리의 테이블에 저장하면, 테이블 주소가 레지스터에서 매개변수로 전달됨 (p.77 그림 3-1 참조)

- 프로그램에서 파라미터를 스택에 푸시(저장)하고 운영체별로 스택을 pop함

 

* OS가 여러 기능을 제공하고, 이 기능들은 system call로 구성된다. (C언어의 표준 함수들은 대부분 system call로 구현된다.)

>> 따라서 어떤 플랫폼에서(운영체제보다 조금 높은 개념이 플랫폼, 운영체제도 포함) 어떤 소프트웨어를 개발할 시, 해당 제품에서 지원하는 system call, 즉 라이브러리가 무엇이 있는 지 부터 공부해야한다. 

 

- 초기에는 어셈블리어로 개발했지만, 유닉스, 윈도우부터는 운영체제도 씨언어로 개발되어 system call이 필요해짐

- c언어로 구성된 C함수(=system call)는 일반 함수와 차이가 있음

 

📌 System calls - 2

💡 일반 함수와 system call의 차이 2가지 (ex. function vs printf)

 

[간단 요약]

1.사용자 함수: 유저모드, 파라미터 넘기는 방식:스택메모리 사용

2.시스템 콜 함수: 모니터 모드, 파리미터 넘기는 방식: 해당 운영체제마다 다르다.

 

1) 모드

- 유저모드(일반모드)로 동작 > 일반함수(function) 

- 모니터 모드로 동작 > 시스템 콜 (printf) : 운영체제의 출력이 호출이 되기 때문에, 인터럽트로 호출하면 자동으로 모니터모드로 바뀐다.

* 모니터모드: 특수한 모드, 운영체제가 모든 권한을 가지고 동작하는 모드

 

2) 호출 방식 (파라미터 넘기는 방식)

- 사용자 함수를 호출할때는 스택이나 포인터를 써서 넘김 (스택메모리에 저장하고 주소값 리턴)

- 시스템 콜일때는 운영체제마다 방식이 다르다. 예시로 파라미터를 레지스터를 통해서 넘기는 경우가 있다. (ex. 파라미터 양이 많을 경우에는 메모리 공간에 파라미터를 저장해두고, 파라미터의 주소값을 레지스터로 해서 넘길 수도 있다. 인터럽트 걸려서 운영체제의 시스템 콜로 넘어가버리면 현재 스택 메모리가 다 바뀌어 버림. 프로세스 1의 스택 메모리가 그대로 유지되리라는 보장이 없어서. 스택 메모리 포인터 값이 바뀔 수도 있기때문에 다른 특정한 레지스터를 지정해서 넘겨줌.)

 

 

💡 운영체제로 넘어가는 과정에서 시스템 콜(printf)은 트랩을 이용

  * 트랩 - 소프트웨어가 발생시킨 인터럽트 

 

📌 System call - 3

💡 프로세스를 관리하기 위한 여러가지 시스템 함수

- 파일관리 함수

- 디바이스 관리 함수

- 정보관리 함수

- 소통관리 함수

 

📌 System Calls -4 (MS DOS Execution)

💡 MS-DOS

: 이전에 전세계의 시장을 휩씀, 대중적이었던 운영체제

 

💡 IDC Center (데이터 센터)

: 윈도우로 안되어있고 대부분 유닉스 등의 환경에서 개발함.

 

💡 메모리 구조 

MS-DOS Execution (a) : 프로그램 실행 전, (b) : 프로그램 실행 후

- 가장 밑쪽을 0번지부터 시작해서 다음으로 커널, 커멘드 인터프리터, 그다음 프리메모리.

- 커맨드 인터프리터 역할  : 명령어 처리

 

* 훅코드란? 

: 메모리를 최대한 줄이기 위한 방법으로 사용됨

: 그림을 보면 실행 전후로 command interpreter 유/무가 다르다. 메모리 최소화를 위해, 실행 후에 command interpreter을 삭제하고, 훅코드를 아주 작게 남긴다. 그리고 해당 프로세스(ex.한글)에 메모리를 몰아준다. 프로그램 종료 후, 훅코드는 다시 사라진 command interpreter을 실행해준다. 

(총 메모리 640k, 그 중 OS가 150k. 이외 남아있는 메모리가 1메가도 안된다. 그러다보니 메모리를 최소화 시켜 실행하게 되었다.)

 

* 제어권을 잡으면 해당 프로그램 끝나기 전까지 CPU 무한정 사용

* 실행중인 프로세스(CPU가짐)가 제어권 장악, 모든걸 할수 있음.

+ 근데 프로세스 안에 바이러스 코드가 있으면?

> 바이러스가 모든 걸 장악!

> 아무런 프로택션 대비가 없고 듀얼모드도 안되기 때문(Ms 도스는 듀얼모드 안됨)

> 바이러스가 운영체제 갈아엎을수도 있고 등등 다할 수 있음.

> 옛날엔 하드웨어도 제어 가능. 그때는 코드로 하드웨어 제어했기 때문

> 남아있는 프리메모리를 다 차지할 수 있다. (단, 640k라는 한계 내에서)

 

 

📌 System Calls - 5 (UNIX Execution)

Unix Execution

💡 UNIX 

: 유닉스는 멀티 유저(여러명이 한 컴퓨터에 접속), 멀티 프로그래밍 (반면 ms는 os 하나, 사용자 한명, cpu 가진 것이 다 제어)

: 유닉스는 각각 세가지 HW Protection 지원 (저번시간꺼 살펴보기)

 

> 한 컴퓨터, 한 운영체제에 여러명이 들어오면 각각이 컴퓨터를 쓸수 있는 환경을 주어야함.

> 그래서 인터프리터도 여러개로 늘어남. (한 사람이 여러 프로세스를 실행할 수 도 있고 여러사람이 각각 하나씩 여러 프로세스를 실행할 수도 있음.)

> 어떤 공간은 프리메모리로 있고, 만약 어떤 프로그램이 메모리를 요청하면 프리메모리에서 할당해줌, 다쓰면 메모리 반납

 

 

📌 System Calls - 6

💡 프로세스에서 정보 교환 시 어떻게? 크게 두가지 방법

1) 메시지 패싱 방법

: 공통의 메모리 공간을 두고 시스템 콜을 통해 정보를 라이트/리드 해 메모리 프로텍션에 위배되지 않게 데이터를 교환하는 법.

기본적인 전제 조건 > 메모리 프로텍션 : 한 프로세스는 자기한테 할당받은 메모리 공간을 넘어설 수 없다. (낮게/높게 영역 넘어가면 죽음)

 

💡  그림 - EXAMPLE :  A의 데이터 B에 주고싶을 때

 

* B가 A가 가진 데이터 M에 접근 해야하는데 못함 !

 

Why? 메모리 프로텍션에 의해

: B가 들어오면 A가 영역을 벗어나기때문에 죽는다. 이처럼 다른 프로세스 영역을 넘어가서 적용을 못하니까 사용하는 방법이 바로 '커널'

• 1) 커널에 메모리 공간을 두어서
• 2) 프로세스 A가 데이터를 메모리 공간에 보냄. (직접접근이 아니라 시스템 콜로 요청 보냄)
• 3) 프로세스 A에 있는 데이터를 커널로 가지고 왔음.

💡 그 이후,  B로 데이터를 옮기는 두가지 방법

[1] 프로세스 A가 B한테 전달해달라 요청하는 법

[2] A와 B가 서로 개발자가 같거나 약속을 갖췄으면, B가 주기적으로 데이터가 있는지 없는 지 확인해서 데이터 받아오는 법 

 

2) shared memory 방법

- A와 B가 있을 때, 어떤 메모리 영역을 서로 교차로(함께 사용) 할 수 있다. 어떻게 교차하냐?

• A 프로세스가 쓰는 메모리 영역을 일정 부분만큼, B가쓰는 메모리 영역을 일정 부분만큼 정함.
• A에도 속하고 B에도 속하는 Shared 메모리를 만들어 교차한다.

 

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📌 System Programs 

* 시스템 프로그램이란? 

: 프로그램을 개발하고 실행하고 사용/관리하는데 필요한 프로그램 

 

* 시스템 프로그램 의미의 변화 

유닉스 등의 컴퓨터를 일반인들이 쓰지 않고 주로 개발자들이 씀(과학자, 기상청, 국방부 등 계산을 필요로 하는 집단)  

개발 시 필요로 하는 것들이 OS에 포함됨. 그래서 당시 시스템 프로그램은 컴파일러, 어셈블러 등을 의미함

↓

현대에 와서 관점에 차이가 생김.

개발 도구는 시스템 프로그램이라고 하지 않고, 시스템을 유지보수 관리하는데 필요한 프로그램 

(ex. shell)

 

>> 사용자의 시각에서 운영체제는 실제 system call이 아닌, system program으로 정의된다. (ex. shell, 'rm' command)

 

 

📌 System Structure, MS-DOS (one-program 용)

1) 응용 프로그램 : 권한 가짐

2) 레지던트 시스템 프로그램 : 상주

3) MS-DOS 장치 드라이브 : 커널

4) ROM BIOS 장치 드라이브 : 칩 내부, 모든 권한을 가지고 ROM BIOS를 통해 조작 가능 (?)

 

📌 System Structure, UNIX

1) UNIX : 제한되는 구조를 가진 최초의 운영체제. 커널과 시스템 프로그램 두 부분으로 구성됨

2) System programs

3) Kernel

• 시스템 호출 인터페이스 아래, 물리적 하드웨어 위에 있는 모든 구성
• 파일 시스템, CPU 스케줄링, 메모리 관리 및 기타 운영체제 기능 제공, 한 레벨에 대한 많은 기능 제공

 

📌 System Structure - Layerd Approach

1) 운영체제가 여러 층으로 나누어짐

2) 가장 아래 레이어는 하드웨어, 가장 위의 레이어는 인터페이스

3) 위층에서 아래층 기능 요청

4) 아래 층은 위의 층을 호출하지도 않고, 존재도 모른다. (요청이 오면 들어줄 뿐)

 

 

📌 Microkernel Approach (MACH, 마이크로 커널 운영체제)

: 운영체제 핵심부분을 아주 작게 만들겠다는 철학에서 시작

↓

복잡해지고 유지보수 힘들어짐

↓

마이크로 커널 등장

📌 Microkernels

: 모든 중요하지 않은 구성요소를 커널로부터 제거하고, 그들을 별도의 주소 공간에 존재하는 사용자 수준 프로그램으로 구현하여 운영체제를 구성하는 방법  >> 커널에 많은 기능들을 사용자 영역으로 빼버린다. 일반 영역으로 빼버린다 >> 더 작은 커널

💡 장점 : 더 안전하고 확장하는 것이 쉽고, 새로운 아키텍처로 이식하는 것이 더 쉽다.

 

📌 Virtual Machines

:  저수준의 하드웨어 환경과 인터페이스를 동일하게 맞춰주는 것

- 기본적으로 레이어드 아키텍처로 구성

- 속도가 느릴 수 있음

- 서로 다른 운영체제가 한 기계에서 돌아갈 수 있음

 

📌 Java Virtual Machine’s Model

: JVM은 class loader, class verifier, runtime interpreter로 구성된다.

 

📌 MAME란?

: 대표적인 게임 애뮬레이터로, 기존 아케이드 게임들을 PC에서 동작하도록 애뮬레이트 해주는 프로그램

 

📌 System Design and Implementation

1.사용자 목표: 쓰기 편하게, 배우기 편하게, 안정적이게, 빠르게,

2.운영체제 목표: 관리하기 편하고 확장 잘되게, 안정적이게

 

매커니즘을 어떻게 할거냐 > HOW TO?

Policy > 무엇을 할거냐?

 

EXAMPLE

* 타임 쉐어링을 어떻게 할거니 ? (HOW TO, 매커니즘)

>> 구현하는 법 : 타이머 두고, 정해진 시간에 인터럽트, 제어권 획득, 레디큐중 하나 선택, 실행

>> 이것은 매커니즘 의미

 

* 시간 주는 타임 슬라이스

> 얼마씩 줄까? > 이러한 것을 결정 하는 것은 how to 가 아님

>> 이것은 policy 의미

 

(제어권이 옮겨지는 이러한 과정을 ‘컨텍스트 스위칭’이라고 한다.

타임슬라이스를 짧게주면 컨텍스트 스위칭이 여러번 발생해서 과부하? > 안좋음)

 

> 암튼 이러한 매커니즘과 폴로시를 구분하기!

 

📌 System Design and Implementation - 2

: 운영체제가 커지다보니, 관리가 안됌. c프로그램 작성해두고 어떻게 했었는지 시간 조금만 지나면 까먹고, 어셈블리어는 더 심함.(단순한 것도 길게 되어있음) 

> 운영체제 기능이 커짐에 따라서 어셈블리어로는 도저히 감당이 안되었음

> 그래서 씨언어로 만들기 시작함. 

>  운영체제는 대부분 C언어로 만들어짐. 빠르게 해야하면 작은 부분 중간중간 필요한 부분만 어셈블리어로 조정해줌. >> 최적화, 하드웨어 직접 제어

 

* 어셈블리 언어에 비해 하이레벨 렝기지로 만들면서 좋은 이점

 - 하이레벨 언어의 장점 생각하면 됨. 

> 운영체제 더 빨리 만들 수 있고, 소스 코드, 소스코드파일이 더 컴팩트 해짐

  (실행파일은 컴팩트해지진 않음, 실행파일은 어셈블리가 더 작음)

> 이해하고 디버그하기가 쉽다.

 

📌 System Generation

* 제네릭 오에스(범용적인 os) vs 스페시픽 오에스 (특정한 분야의 os, 예시로 스마트 티비)

- 운영체제 틀을 만들어놓고,그 틀에 파라미터 식으로 환경 변수 넣어주면 그거에 맞는 OS가 만들어짐. >> 스페시픽 운영체제

 

*부팅과 부트 스트랩 (꼭 기억하기 암기!!)

>> 부팅: 커널을 로딩(메인메모리에 올리는 것), 컴퓨터를 시작시키는 것

>> 부트스트랩: 커널을 찾아 메모리에 로드하고, 실행을 시작할 수 있는 롬에 저장된 코드

 

처음에 파워 누르면, 롬바이오스에 있는 펌웨어가 동작을 함. 정해진 시퀀스에 따라서 하드 주위에 세컨드 스토리지를 찾아보고, 해당 스토리지에 부트섹터를 찾아서 제어권을 주어 실행하는 것. >>? 뭐래 ㅅㅂ

 

* 자기 커널을 메인메모리에 올릴 때 2가지 단계를 거침

1. 부트스트랩 코드 펌웨어에 있는것 부팅 코드를 올림

2. 자기 운영체제의 코드를 메인메모리에 올림