CS 스터디 - 컴퓨터 시스템의 구조

* 이 글은 반효경 교수님의 수업을 듣고 정리한 글입니다. 정리하는 과정에서 틀린 점이 있거나 잘못 이해한 부분이 있다면 수정하겠습니다.

 

왜 소프트웨어를 공개한것일까?

• 소프트웨어는 독점체제가 가능한 시장이다.
• 일등이 시장이 장악해버리면 그 아래에 시장을 장악하지 못한 소프트웨어들이 소스를 공개한다.
• 그러면 오픈소스들이 퍼지게 되면서 시장에 침투하게 된다.
• 공유의 힘!

 

복습

 

운영체제란 무엇인가?

• 자원을 관리하고, 사용자가 편하게 사용할 수 있게 해주는 소프트웨어
• 좁은 의미
  • 메모리에 항상 상주함(커널)
• 넓은 의미
  • 커널뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함
• 목적
  • 자원의 효율적 관리
    • 하드웨어 자원과 소프트웨어 자원
  • 최대한의 효율을 내야 하지만 지나친 차별도 배제
  • 메모리의 적절한 분배 

 

운영 체제의 분류

• 단일 작업
  • 한 번에 하나의 작업만 처리한다 (옛날)
• 다중 작업
  • 동시에 두 개 이상의 작업이 가능하다 (현재)
  • 메모리 사용과 분배에 관련한 추가 이슈
• 단일 사용자
  • MS-DOS, MS Window
• 다중 사용자
  • Linux, Uix, NT server
  • 보안 관련 추가 이슈 발생

 

처리 방식

• 일괄 처리(batch processing)
  • 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
  • 작업이 정말 종료될 때까지 기다려야 함
  • 이용자의 편의보다는 한 번에 모아서 처리하는 방식
  • 초기 Punch Card 처리 시스템
• 시분할(time sharing)
  • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
  • 일괄처리에 비해 짧은 응답 시간
• 실시간 
  • 정해진 시간 안에 작업이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 시스템을 위한 OS
  • 예) 원자로, 미사일 제어
    • 개념 확장
      • Hard realtime system
      • Soft realtime system
        • 프레임을 지켜야 하는 영상처리 
• Multiprocessor
  • 하나의 컴퓨터에 여러 개의 CPU가 존재

 

운영체제의 예

• 유닉스
  • 대부분 C로 작성
  • 어셈블리어를 사용하지 않고 C를 만들어서 사용
  • 높은 이식성
  • 최소한의 커널
  • 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
  • 초기에는 공개
  • 다양한 버전 존재
• DOS
  • MS에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
  • 단일 사용자용
  • 단일 사용자용이었기 때문에 메모리 관리 능력 한계
• MS Window
  • MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영 체제
  • Plug and Play, 네트워크 환경 강화
  • DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
  • 불안정성
  • 풍부한 지원 소프트웨어

 

유닉스와 Window는 시작점부터 달랐기 때문에 여러 차이점이 존재하게 되었다.

 

그 외

PalmOS, Pocket PC, Tiny OS

Android, IOS

안드로이드는 리눅스 커널 위에서 돌아가서 플랫폼이라고도 부른다

 

내가 운영체제라고 생각하고 수업을 듣자

 

구조

 

• I/O 장치들에는 디바이스 컨트 롤라는 작은 CPU들이 있다.
• CPU는 연산하는 기능이 있고, 연산을 하기 위해서 필요한 작업 공간이 메모리
• 디바이스 컨트롤러도 로컬 버퍼라는 공간이 있다.

 

Mode bit

CPU를 운영체제에서 사용할 때는 믿고 맡길 수 있지만, 사용자 프로그램은 악의적인 동작들이 있을 수도 있기 때문에 그걸 구분하는 것

운영체제가 사용 중일 때는 0 사용자 프로그램이 사용중일때는 1

Mode bit이 1이면 위험한 기계어(특권 명령)는 차단

특권 명령을 사용자 프로그램이 사용하려고 하면 운영체제로 다시 CPU가 넘어감

 

interrupt/Exception

• Exception는 예외 상황
  • interrupt는 인터럽트 라인에 들어온 요청을 확인해서 요청이 있으면 운영체제가 CPU를 점유
• Timer
  • 운영체제가 CPU를 뺏어올 수 없기 때문에 시간을 저장해놓는 부분
  • CPU의 독점 방지
  • 시간이 다되면 타이머 인터럽트 발생
• 시스템 콜
  • I/O 장치를 사용하는 명령은 특권 명령이라서 운영체제에 I/O 장치를 사용해달라고 요청하는 것
  • 요청을 하고 싶은 프로그램이 스스로 인터럽트를 걸어서 운영체제로 CPU이용권을 넘김
  • 소프트웨어 인터럽트, 트랩이라고도 함 (업무의 연장이기 때문에)
• 디바이스 컨트롤러
  
  • I/O 장치에 요청이 오면 받고, 작업이 끝나면 인터럽트를 거는 작은 CPU
• 펌 웨어
  • I/O장치들의 동작을 기계어로 입력되어 있는 프로그램
• 인터럽트 벡터
  • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음
  • 인터럽트 처리 루틴
  • 해당 인터럽트를 처리하는 커널 함수
• CPU
  • register
    • 연산을 저장하는 작은 부분
  • 프로그램 카운트
    • 다음에 실행할 메모리의 주소를 가지고 있음
    • 인터럽트가 들어오면 운영체제 위치로 변경(Mode bit이 0으로 변경)

 

동기식 입출력과 비동기식 입출력

 

• 동기식 입출력 (synchronous I/O)
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감

 

• 비동기식 입출력 (asynchronous I/O)
  • I/O 결과를 모르는 상태에서 다른 작업을 진행

 

DMA (Direct Memory Access)

 

빠른 입출력 장치들은 잦은 인터럽트를 유발해서 오버헤드를 발생시킬 수 있기 때문에 I/O 작업이 끝난 후 디바이스 버퍼에 있는 데이터들을 메모리에 올려놓고 인터럽트를 걸어준다

 

저장 장치 계층 구조

캐싱을 사용