[운영체제 1주차 스터디] 공룡책 2장 운영체제 구조 정리

목차

1. Operating system services
2. System calls
3. Types of system calls
4. operating system structure

운영체제에서 제공하는 서비스

운영체제는 컴퓨터 프로그램이 실행되는 환경을 제공한다.

그를 위해서 위와 같은 서비스를 제공한다.

여러 프로그램을 돌리기 위해 멀티 프로세싱을 하게 되고 그런 과정에서 동기화 문제가 발생하며 데드락이 발생할 수 있다.

앞으로 (공룡책에서) 주로 배우게 될 서비스 ⇒ 프로그램 실행(관리 부문), file System

나머지는 상대적으로 마이너하다.

운영체제 각 서비스 정리

UI (유저 인터페이스) 부분

• CLI: 사용자가 텍스트 명령으로 명령을 내리는 방식. (SHELL, MS-DOS, 애플 소프트 베이직)

• 배치 인터페이스: 명령어를 파일에 넣어두고 파일이 실행되면서 명령어를 실행하는 인터페이스.

• GUI: 가장 흔하다. 마우스 클릭, 키보드 등으로 명령 내린다.

프로그램 실행 (Program execution)

• 시스템은 프로그램을 메모리에 로드하고 실행할 수 있어야 한다.

• 정상적으로든 비정상적으로든 실행을 완료할 수 있어야한다.

입출력 명령 (I/O Operations)

• 프로그램이 필요할 경우 운영체제가 입출력 명령 수행해야한다.

• 사용자가 직접 조작하지 않고 운영체제를 거치도록 한다. (보안)

파일 시스템 조작 (File- System manipulation)

• 파일 쓰기, 읽기, 삭제. 사용자의 접근 권한 설정하기도 한다.

통신(Communications)

• 한 프로세스가 다른 프로세스와 통신하기 위해서는 운영체제는 공유 메모리(Shared memory)나 메세지 패싱(Message passing) 방법을 사용한다.

• 공유메모리: 여러 프로세스가 메모리의 한 부분 공유

• 메세지 패싱: 프로세스간 정보 패킷을 주고 받는 것 ( 더 느림)

에러 탐지 (Error Detection)

• 하드웨어, 입출력 장치, 사용자 프로그램의 에러를 탐지하고 수정해야 한다.

자원 할당(Resource Allocation)

• 여러 사용자가 여러 작업을 동시에 하기 위해서 자원을 적절히 잘 분배해야 한다.

회계

• 어떤 유저가 어떤 자원을 얼마나 사용하는지 계속 추적한다.

보호 보안

• 접근 권한, 사용자 권한 관리

 

---

시스템 콜 이란 (ex. fork(), fopen())

• 커널과 사용자 프로그램을 이어주는 인터페이스

• 운영체제의 서비스를 사용할 수 있게 해주는 인터페이스

1. 사용자가 OS와 상호작용하는 방법

• CLI : 명령어 기반으로 상호작용하는 방법 (쉘 이용)

• GUI: 대표적으로 마우스

• 터치 스크린 동작 : 안드로이드 등

2. 컴퓨터 프로그램이 os와 인터페이스 하는 방법: 시스템 콜

상호작용하기 위해서 필요한 함수를 호출 ⇒ 시스템 콜 (OS API)

사용자가 일일히 오픈해서 사용하기 귀찮다 ⇒ 라이브러리 사용

1. 사용자가 시스템에 접근하기 위해서 (open) 커널 모드로 전환되어야 하는데 이때 시스템 콜을 사용한다.

2. 메모리의 특정 주소 범위에는 어떤 동작들이 할당 되어 있다

   ⇒ 시스템 콜 테이블, 인터럽트 벡터

   ex. fopen() 함수를 호출 시 운영체제는 이 함수를 찾기 위해 시스템 콜 테이블을 참조한다.

   시스템 콜 테이블 ⇒ 메모리 주소의 모음. 해당 메모리 주소는 인터럽트 서비스 루틴을 가르킨다.

   인터럽트 서비스 루틴⇒ 일반적으로 C로 짜여짐. 시스템 콜 테이블이 가르키는 특정 메모리 주소가 구체적으로 어떤 동작을 할 지 정의해 놓은 것

대표적인 시스템 콜 함수 fopen(), exit(), read(), write()

직접 조작하기 힘들기 때문에 표준 라이브러리를 사용한다. stdio.h.

시스템 콜 타입

시스템 콜은 크게 6가지로 분류할 수 있다.

• 프로세스 제어: end, abort, load, execute
• 파일 관리: create, delete, open, close, read, write
• 장치 관리: read, write, request, release
• 정보 유지: get/set time or date
• 통신: send/receive messages, transfer status
• 보호

현대 운영체제 계층 관리

Simple Structure

• 과거에는 사실상 계층 구분 x

• MS-DOS에서 사용자 프로그램이 입출력 루틴에 접근해 디스플레이와 디스크 드라이브에 직접 쓰기를 함. ⇒ 사용자 프로그램에 문제 생기면 전체 시스템에 문제 생김

전통적 UNIX 시스템 구조

• MS-DOS에 비해 기능이 분리됨.

• 하나의 계층이 너무 많은 일을 한다.

• 하드웨어와 사용자 계층 사이의 커널이 모든 기능을 제공 ⇒ 모놀리식 구조

• 구현과 유지보수가 쉽지 않았다.

Layered Approach (계층적 접근 방식)

• 가장 아래 계층은 하드웨어, 가장 위는 사용자 인터페이스

• 유지보수가 편하다. 하나의 계층만 신경쓰면 다른 계층에는 아무런 신경을 안써도 된다.

마이크로 커널

• 커널에서 핵심적인 요소만 남긴 가벼운 커널

• 커널이 커질 수록 문제가 생길 가능성이 높아지고 유지보수 힘듬

• 커널보다 코드 양이 적어 컴파일, 테스트 시간이 짧고 다른 시스템에 이식하기도 쉽다.

• IoT 등 에서 사용된다.

모듈

• 모듈은 커널을 확장하는 기술이다.
• 각 기능들을 독립적으로 관리하여 효과적으로 시스템 유지한다.
• 장치 드라이버는 모두 모듈로 구현되어 있다.

하이브리드 시스템

• 커널의 핵심만 남기고 나머지는 따로 구현한 시스템

• 안드로이드는 리눅스 커널 위에 자체 구현한 라이브러리를 올린 시스템

---

기타 (동기, 비동기 입출력)

• (제어권을 넘겨주는가) block, non-block
• (작업완료되었는지 확인을 한다) synchronouse vs asnycronous

동기식 입출력 (Block)

• 입출력 요청 후 호출된 입출력 작업이 완료된 후에야 CPU의 제어권이 호출한 그 프로그램에게 다시 넘어가는 방식

• A가 B를 호출한 경우

  • A는 B작업이 완료되어 B가 A로 제어권을 넘겨줘야만 제어권을 가질 수 있다.
  • B가 제어권을 넘겨줄 때까지 다음 명령을 수행하지 않고 기다린다.
  1. 사용자가 I/O 요청을 하면 동기식 입출력에서는 먼저 운영 체제의 커널로 CPU의 제어권이 넘어와서 입출력 처리와 관련된 커널의 코드가 수행됩니다.
  2. 입출력을 호출한 프로세스의 상태를 봉쇄 상태(block state)로 바꾸어 입출력이 완료될 때까지 CPU를 할당받지 못하도록 합니다.
  3. 입출력이 완료되면 I/O 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트를 발생시켜 입출력이 완료되었음을 알려줍니다.
  4. 그러면 이 프로세스의 봉쇄 상태를 해제시켜 CPU를 할당받을 수 있는 권한이 다시 생기게 됩니다.

비동기식 입출력

• 입출력 요청 후 연산이 끝나길 기다리지 않고 CPU 제어권을 호출한 프로그램에게 바로 넘기는 방식
• 할 수 있는 작업 먼저 실행 나중에 실행할 작업들은 후에 수행

Synchronous 입출력

• A 함수가 B를 호출한 후 B의 작업 결과를 받을 때까지 A가 기다린다.

Asynchronouse 입출력

• A 함수가 B를 호출한 후 B의 작업 결과 유무를 A가 신경쓰지 않는다.

출처 (참고)

입출력 구조

https://parksb.github.io/article/5.html

https://www.inflearn.com/course/운영체제-공룡책-전공강의/lecture/65690?tab=curriculum&speed=1.5

https://musma.github.io/2019/04/17/blocking-and-synchronous.html