면접을 위한 CS 전공지식 노트 [CHAPTER 3] (1)

[CHAPTER 3]. 운영체제

운영체제(OS, Operating System)란?

- 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다. 

- 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 참된 일꾼이다.

- 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어(firmware)라고 한다. 

 

[SECTION 3.1] - 운영체제와 컴퓨터

- 하드웨어와 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 일꾼인 운영체제와 CPU, 메모리 등으로 이루어진 컴퓨터를 알아보자.

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3.1.1 운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

크게 네 가지가 있다.

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다. 

2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리한다.

3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다. 

4. I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다. 

 

 

 

운영체제의 구조

운영체제의 구조

- 유저 프로그램이 맨 위에 있고 그다음으로 GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조이다. 

 

 

🤙🏻 시스템콜

시스템콜이란?

- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다. 

- 유저 프로그램이 *I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다. 

시스템콜

 

*I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일 

*드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

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시스템콜과 커널, 운영체제

- 앞의 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다. 

 

 

장점?

- 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있다. 

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3.1.2 컴퓨터의 요소

- 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. 

컴퓨터의 요소

 

 

CPU

CPU(Central Processing Unit)란?

- 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼이다. 

CPU라는 일꾼

 

 

🎛️ 제어장치

제어장치(CU, Control Unit)란?

- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 

- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다. 

 

 

® 레지스터

레지스터란?

- CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다.  

- CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.  

- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다. 

 

 

 

🧮 산술논리연산장치

산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)란?

- 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다. 

 

 

CPU의 연산 처리

CPU 연산 처리

 

 

⏸️ 인터럽트

인터럽트란?

- 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.

- 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다. 

 

 

 

DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러란?

- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다. 

- CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 된다. 

 

 

메모리(Memory)

메모리란?

- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말한다. 

- 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 한다.  

- CPU는 계산을 담당하고 , 메모리는 기억을 담당한다. 

 

 

 

타이머(Timer)

타이머란?

- 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다. 

- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

 

 

 

디바이스 컨트롤러(Device Controller)

디바이스 컨트롤러란?

- 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻한다.