3.1 운영체제와 컴퓨터

3.1.1 운영체제의 역할과 구조

 운영체제의 역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
• 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
• 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지
• I/O 디바이스 관리:I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

 

 운영체제의 구조

• 유저 프로그램이 맨 위에 있고 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조
• GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 부분이 운영체제를 지칭함
• GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있다.
  
  • GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
  • 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
  • CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

 

시스템콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
• 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인하고 유저모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행된다. 

• 유저 모드에서 실행하지 않고 커널 모드로 들어가 open()이 실행되고 다시 유저모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저프로그램이 로직을 수행한다. 
• 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

 

modebit

• 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
• modebit은 1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다.
• 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야한다.
• 유저모드를 기반으로 I/O 디바이스가 켜진다면 공격자가 카메라를 갑자기 킬 수 있는 등 나쁜 짓 하기 쉬움
• 커널모드를 거쳐 운영체제를 통해 작동해도 100% 막진 못하지만 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기 쉽다.
• 이런 장치가 바로 modebit

 

3.1.2 컴퓨터의 요소

 CPU

• CPU는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말함
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
• 제어장치
  • 제어장치는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
  • 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정
• 레지스터
  • 레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
  • CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.
  • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없어 레지스터를 거쳐 데이터를 전달함
• 산술논리연산장치
  • 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

 

CPU의 연산처리

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값 로드. 레지스터에도 로드
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 계산한 값 저장

인터럽트

• 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지 시키는 것
• 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생
• 인터럽트가 발생되면 인트럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인트럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨
• 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
• 하드웨어 인터럽트
  • 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
• 소프트웨어 인터럽트
  • 트랩이라고도 함
  • 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동

 

DMA 컨트롤러

• IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻함
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어와서 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼
• 하나의 작업을 CPU와 DMA컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지함

메모리

• 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
• RAM을 일컬어 메모리라고 함
• CPU는 계산을 메모리는 기억을 담당한다.
• 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

타이머

• 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 시간제한을 다는 역할

디바이스 컨트롤러

• IO 디바이스들의 작은 CPU를 말함