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(OS - 1) 운영체제(Operating System) 소개

운영체제를 사용하는 이윺, 커널(Kernel), 이중 모드, 시스템 콜에 대해서

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1. 운영체제(Operating System, OS)란

운영 체제(OS, Operating System)는 컴퓨터 하드웨어와 소프트웨어 리소스를 관리하고 컴퓨터 프로그램의 실행을 제공하는 시스템 소프트웨어이다. 운영 체제는 사용자와 컴퓨터 하드웨어 간의 인터페이스 역할을 하며, 여러 프로그램이 효율적으로 실행될 수 있도록 다양한 서비스를 제공한다.


listofoshttps://www.almabetter.com/bytes/articles/list-of-operating-system

  • 여러가지 운영체제가 존재한다


기본적으로 모든 프로그램은 실행을 위해서 자원(resource)이 필요하다. 여기서 자원은 컴퓨터 시스템에서 사용되는 다양한 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 의미한다. 쉽게 말해서 CPU, 메모리, 디스크 드라이브 등 프로그램의 실행에 필요한 요소로 보면 된다.

이런 자원은 단지 컴퓨터에 전기를 공급한다고 해서 자동으로 분배가 되거나 사용할 수 있는게 아니다. 운영체제는 이런 자원을 할당해주고 응용 프로그램이 올바르게 실행되도록 도와주는 특별한 소프트웨어로 보면된다.


응용 프로그램(application software)

사용자가 특정 목적을 위해 사용하는 일반적인 프로그램


운영체제는 응용 프로그램(application software)과 하드웨어(hardware) 사이 위치한다.


os-overviewAbraham Silberschatz: Operating System Concepts


운영체제의 역할과 기능은 다음과 같다.

  • 자원 관리
    • 운영 체제는 CPU, 메모리, 디스크 드라이브 및 기타 주변 장치와 같은 컴퓨터 하드웨어 리소스를 관리한다. 이를 통해 여러 응용 프로그램이 동시에 실행되더라도 시스템 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.
  • 프로그램 실행 제어(프로세스 관리)
    • 운영 체제는 응용 프로그램이 실행될 때 필요한 환경을 제공한다. 이는 프로그램이 하드웨어와 직접 상호 작용하는 대신 운영 체제를 통해 간접적으로 하드웨어를 제어하도록 한다.
    • 만약 프로그램이 직접 자원에 접근해서 사용할 수 있다면 예상치 못한 문제들이 발생한다.
      • 예를 들어서 인터넷 브라우저를 열고 게임을 동시 실행한다고 가정해보자. 만약 게임에서 마음대로 인터넷 브라우저의 CPU 연산 자원을 가져갈 수 있다면, 제대로된 멀티 태스킹이 힘들 수 있다
  • 파일 시스템 관리
    • 운영 체제는 데이터를 저장하고 조직하는 파일 시스템을 제공한다. 이를 통해 사용자와 응용 프로그램은 데이터를 쉽게 저장하고 검색할 수 있다.
  • 보안 및 접근 제어
    • 운영 체제는 사용자 계정을 관리하고, 파일 및 시스템 자원에 대한 접근 권한을 제어하여 시스템의 보안을 유지한다. 이는 악의적인 사용자나 프로그램이 시스템을 손상시키지 않도록 보호한다.
  • 네트워킹
    • 운영 체제는 네트워크 기능을 제공하여 컴퓨터가 다른 컴퓨터 및 네트워크 장치와 통신할 수 있도록 한다. 이를 통해 데이터 전송, 인터넷 접속 및 네트워크 기반 응용 프로그램이 가능하다.
  • 사용자 인터페이스 제공
    • 운영 체제는 사용자와 시스템 간의 상호 작용을 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 또는 명령줄 인터페이스(CLI)를 제공한다. 이는 사용자가 시스템을 쉽게 사용할 수 있도록 도와준다.
  • 기타 다양한 서비스들


2. 커널(Kernel)

커널 소개

커널(kernel)은 운영 체제의 가장 핵심적인 부분으로, 하드웨어와 응용 프로그램 사이의 상호 작용을 관리하고 조정하는 역할을 한다. 커널은 운영 체제의 핵심적인 기능들을 제공하며, 시스템의 안정성과 효율성을 위해 사용한다.


os-overview2kernel


커널은 자원에 접근해서 사용하는 기능, 프로그램이 올바르게 실행되도록 도와주는 기능, 파일 시스템 기능과 같은 대부분의 핵심적인 기능은 커널이 담당한다. 대다수의 운영체제를 설명하는 책이나 자료는 이 커널에 대해서 다룬다.


커널이 담당하지 않는 기능

유저 인터페이스(UI)는 커널이 담당하지 않는다. UI는 사용자와 컴퓨터 간 소통을 위한 통로일 뿐, 핵심적인 기능이 아니다.


이중 모드(Dual Mode)

이중 모드 소개

이중 모드(Dual Mode)는 컴퓨터 시스템에서 운영 체제가 시스템의 안전성과 안정성을 유지하기 위해 사용하는 중요한 개념이다. 이중 모드는 시스템의 작동을 두 가지 모드로 나누는 것을 의미하며, 각각의 모드에서는 서로 다른 권한 수준을 가지게 된다. 이러한 모드는 주로 사용자 모드(User Mode)와 커널 모드(Kernel Mode)로 구분된다.


mode bit

시스템의 현재 작동 모드를 나타내는 비트. 이 비트는 CPU의 상태를 나타내는 특별한 비트로, 현재 CPU가 사용자 모드(User Mode)인지 커널 모드(Kernel Mode)인지를 결정한다. 플래그 레지스터의 슈퍼바이저 플래그(supervisor flag)에 표시된다.


dualmode1Dual Mode

  • 사용자 모드(User Mode)
    • 제한된 접근 권한: 사용자 모드에서 실행되는 응용 프로그램은 제한된 권한만 가지며, 직접 하드웨어 자원이나 중요한 시스템 데이터에 접근할 수 없다
    • 응용 프로그램이 오류를 일으키거나 악의적인 행동을 시도하더라도 시스템 전체에 영향을 미치지 않도록 격리된다
    • 응용 프로그램은 운영 체제에서 제공하는 시스템 콜(system call)을 통해 간접적으로 하드웨어 자원이나 커널 서비스를 요청한다
  • 커널 모드(Kernel Mode)
    • 전체 접근 권한: 커널 모드에서는 시스템의 모든 자원(CPU, 메모리, 디스크 드라이브 등)에 대한 완전한 접근 권한을 가진다
    • 직접 하드웨어 접근: 커널 모드에서는 직접 하드웨어 자원과 상호 작용할 수 있다
    • 운영 체제 기능 수행: 프로세스 관리, 메모리 관리, 파일 시스템 관리, 장치 드라이버 관리 등의 핵심 운영 체제 기능을 수행한다


시스템 콜(System Call)

위에서 언급하는 시스템 콜에 대해 알아보자. 위에서 사용자 모드에서 커널 모드로 전환될 때 시스템 콜을 사용하는 것을 볼 수 있었다.

시스템 콜(System Call)은 사용자 프로그램이 운영 체제의 커널에게 서비스를 요청할 때 사용하는 인터페이스이다. 사용자 프로그램은 직접 하드웨어 자원에 접근할 수 없기 때문에 시스템 콜이 제공하는 API를 통해 커널의 기능을 사용하여 파일 시스템, 프로세스 관리, 메모리 관리, 네트워크 기능 등 다양한 작업을 수행할 수 있다.


Types-of-System-Callshttps://www.geeksforgeeks.org/different-types-of-system-calls-in-os/

  • 운영체제 마다 차이가 있지만, 대부분 비슷한 시스템 콜들을 제공해준다


syscall1System Call

시스템 콜의 대략적인 수행 과정은 다음과 같다.

  • 시스템 콜 호출
  • 트랩(Trap) 발생
    • 시스템 콜이 호출되면, CPU는 소프트웨어 인터럽트(트랩)를 발생시켜 현재 실행 중인 프로그램의 흐름을 커널로 전환한다
    • 이때, CPU는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환된다
  • 커널에서 시스템 콜 처리
    • 커널은 시스템 콜 번호와 매개변수를 확인하여 적절한 커널 API를 호출한다
    • 커널 API는 요청된 작업을 수행하고, 결과를 준비한다
  • 결과 반환
    • 작업이 완료되면, 커널은 결과를 레지스터에 저장하고, CPU는 다시 커널 모드에서 사용자 모드로 전환된다


이런 시스템 콜의 가장 중요한 두 가지 특징을 꼽자면 다음과 같다.

  1. 운영 체제와 프로그램 간의 명확한 경계: 시스템 콜을 통해 사용자 프로그램은 운영 체제의 핵심 기능을 안전하게 사용할 수 있다
    • 자원의 접근 등의 작업을 커널이 수행해준다
  2. 추상화 제공: 시스템 콜은 하드웨어의 복잡한 세부 사항을 추상화하여, 개발자가 더 쉽게 프로그램을 작성할 수 있도록 한다
    • 개발자가 직접 하드웨어를 제어하는 코드를 작성할 필요 없다


이중 모드 동작의 주요 요소

이중 모드 동작 방식의 주요 요소를 살펴보자.

  • 모드 전환(mode transition)
    • 시스템 콜: 사용자 모드에서 실행 중인 응용 프로그램이 시스템 콜(System Call)을 호출하면, CPU는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환된다. 이 과정에서 프로그램의 권한 수준이 높아지며, 커널의 코드를 실행할 수 있게 된다.
    • 인터럽트: 하드웨어 인터럽트가 발생할 때도 모드 전환이 일어난다. 예를 들어, 타이머 인터럽트나 입출력 장치의 인터럽트가 발생하면 CPU는 커널 모드로 전환되어 해당 인터럽트를 처리한다.
  • 프로텍션 링(protection ring)
    • CPU는 일반적으로 여러 개의 보호 링(protection ring)을 가지고 있으며, 각 링은 서로 다른 수준의 권한을 나타낸다
    • 사용자 모드는 보통 링 3에 해당하며, 커널 모드는 링 0에 해당한다
    • 이 방식은 시스템 자원에 대한 불법 접근을 방지하고, 시스템의 안정성을 유지하는 데 도움을 준다
  • 컨텍스트 스위칭(context switching)
    • 모드 전환 시 컨텍스트 스위칭이 발생할 수 있다
    • 이 과정은 커널에 의해 관리된다


컨텍스트 스위칭(context switching, 문맥 교환)

컨텍스트 스위칭에 대해서는 뒤에서 프로세스(process)를 다룰때 살펴볼 예정이다.

대략적으로 설명하자면, 컨텍스트 스위치(Context Switch)는 운영 체제에서 프로세스의 상태를 저장하고, 다른 프로세스의 상태(레지스터, 프로그램 카운터 등)를 복원하여 CPU의 실행을 전환하는 과정이다. 이는 멀티태스킹 환경에서 필수적인 작업으로, 여러 프로세스가 CPU를 공유할 수 있도록 한다.


다음 포스트로 넘어가기 전

운영체제의 대부분 내용에 부합하는 이야기지만, 굳이 어떤 용어를 달달 외울 필요는 없다. 중요한 것은 운영체제가 사용하는 기본적인 컨셉과 아이디어다.

실제로 그 컨셉의 세부 구현 사항은 운영체제마다 다르기 때문에, 운영체제 파트에서 다루는 모든 내용이 모든 운영체제에 부합한다고 보장하지 못한다.


Reference

  1. 강민철: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제
  2. Abraham Silberschatz: Operating System Concepts(공룡책)
1. 컴퓨터 공학(CS), 컴퓨터 구조/운영체제(OS)
os kernel system-call
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