[02] 운영체제 - 운영체제의 구조 및 동작원리

안녕하세요. 
저번 시간에는 운영체제의 정의와 역할, Interrupt란 무엇인가 
그리고 컴퓨터에서의 Hardware에 대해서 간략하게 살펴보았는데요
오늘은 운영체제의 구조와 동작원리에 대해서 간략하게 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

운영체제의 구조

일단 운영체제의 구조가 어떻게 발전되어갔는지를 보면서 알아보도록 하겠습니다.
예전 DOS 시절 운영체제에서는 자원의 효율성이 굉장히 떨어졌었는데요.
그 이유를 살펴보도록 하겠습니다.

예전에는 메모리에 여러 가지  작업들이 올라가지 못하였습니다. 
예를 들어 수행해야 할 작업-1과 작업-2가 있다고 생각해봅시다.

작업-1은 CPU를 사용한 후 I/O 장치를 사용하고,
작업-2는 CPU만을 사용하는 작업이라고 예를 들어 보겠습니다.

작업-1이 먼저 수행이 되면서 CPU를 사용하고 I/O를 사용하는 동안 CPU는 놀고 있음에도 불구하고 작업-2는 메모리에 올라가있지 않기 때문에 작업-1의 전체적인 작업이 끝나기 전까지 작업을 시작하지 못하였습니다. (  I/O 장치를 사용할 때도 마찬가지입니다. )
이러한  유연하지 않은 구조는 컴퓨터 전체의 효율성을 떨어뜨렸습니다. 
그래서 생각해낸 것이 CPU와 I/O를 바쁘게 하자!이고 그것이 바로 Multiprogramming입니다.

  1. Multiprogramming

Multiprogramming은 여러 작업들이 동시에 메모리에 올라가게 됩니다.
그리고 위와 같이 작업-1이 수행되는 동안 CPU가 대기 상태로 들어가고 I/O를 수행할 때 작업-2는
대기 상태인 CPU를 사용하게 함으로써 유연성을 제공하여 효율성을 높이는 방법입니다. 반대로 I/O가 대기 상태일 때는
I/O가 필요한 작업에게 그 자원을 할당해줍니다.

  2. Multitasking

Multiprogramming에도 단점이 있었는데요! 그것은 바로 작업들마다 자원의 사용에 시간 차이가 생기기 때문입니다.
예를 들어보겠습니다. 만약에 작업-1이 CPU를 사용하고 I/O를 사용하게 되면 CPU는 작업-2에게 할당되어 작업-2는 
CPU를 사용하게 됩니다. 하지만 만약 작업-1의 I/O 사용시간이 길어지면 작업-2가 CPU를 이용한 작업을 끝내도 I/O 작업으로
들어가지 못하고 계속 대기하게 됩니다. 그럼 이때도 역시 위와 마찬가지의 CPU 자원의 낭비가 일어나게 되는 것입니다. 
이러한 낭비는 효율성을 떨어뜨리는 결과를 가져옵니다.

그래서 등장한 것이 Multitasking입니다.
Multitasking은 Multiprogramming의 논리의 확장이라고 보면 됩니다.
각각의 작업에 시간을 부여하고 CPU를 작업하다가 그 시간이 지나가면 다른 작업에게 CPU 자원을 할당해줍니다.
그러므로 위와 같은 시간 지연으로 인한 낭비를 줄일 수 있으며 주어 진 시간은 굉장히 짧아서 빈번한 switching이 발생하게 됩니다.

 1. 만약 여러 작업들이 메모리에 올라갈 준비가 되어있다면 Job Scheduling을 통해 메모리에 올리고
 2. 메모리에 올라와 있는 여러 작업들이 실행될 준비가 되어있다면 CPU Scheduling을 통해 조정합니다
 3. 그리고 작업의 process가 메모리에 맞지 않는다면 swapping out되어 다른 작업이 swapping in 됩니다.

운영체제의 동작원리

운영체제는 이전 포스팅에서 설명하였듯이 interrupt(event)-driven 방식입니다.
  1. H/W interrupts
  2. S/W interrupts - trap( or exception)
      - S/W errors : 흔히 프로그래밍하면서 나올 수 있는 error ( divide by zero, stack overflows...)
      - 운영체제 services 들에 대한 요청 -> System Call

운영체제는 한 작업의 error로 인해 자원을 계속해서 점유하는 일과같이 효율성과 컴퓨터의 동작을 저해하는 행위를
보호해야 할 수단을 필요로 합니다. 그러한 방법에는 크게 두 가지가 존재합니다. 

첫 번째는 Dual-Mode Execution입니다.

조건은 H/W의 지원이 요구됩니다. 시스템을 보다 안전하게 하는 것이 목표이죠.
이 방법은 Mode-Bit라는 것을 필요로 하는데, Mode에는 Kernel Mode와 User Mode 두 가지가 있습니다.

프로그램이 메모리에 올라가서 작업들을 수행할 때 명령어들을 하나씩 읽어와 수행하게 되는데요
하지만 사용자가 Kernel 상의 작업, 즉 컴퓨터의 Core에 해당하는 작업들을 직접 건드려 명령하고 수행을 하게 된다면
자칫 잘못하다는 시스템 전체에 큰 악영향을 끼칠 수 있게 됩니다. 그것을 방지하고자 이러한 방법을 도입하게 되었는데요

각각 명령어에 Mode-bit를 심어 해당 명령어의 Mode-bit와 현재 시스템 상의 Mode-bit가
같을 시에만 해당 명령어를 수행하게끔 하는 것입니다.  
예를 들어보겠습니다.

printf("출력");

위의 코드는 C에서 콘솔 창에 특정 문구를 출력하는 코드입니다.
모니터를 통해 콘솔 창에 출력하는 행위는 I/O를 이용하여 출력을 하게 됩니다.
이러한 I/O 작업은 OS만 접근이 가능해야 하는데요.
위의 함수의 내용을 열어보면 여러 가지 명령어들이 있고 그중에 INT 80이라는 명령어를 찾아볼 수 있습니다.
위의 명령어는 특수 명령어로서 현재 Mode를 바꿔주는 역할을 합니다. 
즉 이전까지 수행되던 명령어들은 User-Mode였다면 화면에 출력하기 위해서는 Kernel-Mode가 필요하므로 
위의 명령어를 통해 Mode를 Kernel-Mode로 변환 후 I/O 장치에 출력을 하는 명령을 OS가 내리게 됩니다.
그리고 함수가 끝날 때는 다시 User-Mode로 돌아게 되겠죠!

이러한 bit를 바꾸는 행위를 System-Call이라고 합니다. 굉장히 중요한 개념이죠!
이렇게 Kernel에서 수행되어야 하는 몇 가지 중요한 명령어들이 있습니다. 위에서 언급한 운영체제의 Services들이죠
그 예를 들어보자면
  1. Turn off interrupts
  2. Access I/O devices
  3. Set value of timer
등이 있고 이외에도 여러 가지 명령어들이 있습니다.

System Call이 일어나게 되면 앞선 포스팅에서 Interrupt Vector Table과 Interrupt Vector Routine의 동작원리와 같이
해당 System Call에 대한 번호를 Table에서 찾아 Routine을 실행하게 됩니다. 이러한 작업은 운영체제에서 일어나게 되죠.
밑의 사진은 System Call의 이해를 조금 더 도울 수 있을 것 같습니다.

두 번째 방법으로는 Timer 입니다.

Timer는 간단하게 설명해드리겠습니다. 이름에서 와 닿듯이 Timer는 infinite loop 나 자원의 독점을 막습니다.
Timer는 특정 시간이 지나면 Interrupt를 발생시키고 운영체제는 그 시간을 감소시키면서 Interrupt를 기다립니다.
운영체제는 Timer가 끝난 작업을 종료시키고 또한 실행되기 전 Scheduling 작업 전에 Timer를 작동시킵니다.
확실히 Dual-Mode Execution보다는 쉽게 와 닿으실 거라고 기대해봅니다

이제 전체적으로 정리를 해보고 중요한 것은 조금 더 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다!

운영체제는 무슨 일을 하는가!
  1. Process management
  2. Memory management
  3. Storage management
  4. Protection and Security

Program vs Process
 Program은 현재 Memory에 올라와 있는 Process들 중 실행 중인 Process입니다.
  Process는 CPU time, Memory, files, I/O 등 여러 자원을 필요로 합니다.
 
운영체제의 Process Management 
  - Process와 Thread의 CPU 위의 작업들을 Scheduling.
 - User와 System의 Process를 생성하거나 삭제.
  - Process의 동기화 작업이나 Communication 작업의 mechanisms을 제공. 

운영체제의 Memory Management
  - 명령어들이 순서에 맞게 실행되도록 관리.
  - 모든 Data들이 실행되기 전 Memory에 올라갈 수 있도록 관리.
  - Memory 공간을 할당하고 회수.
  - 언제 어떤 것이 Memory에 올라갈지 결정.

운영체제의 Services
  사용자에게 도움을 주는 Services
- UI 제공
- I/O 작업 수행
- Error Detection
- 파일 시스템 관리
시스템의 운영의 효율성을 제공하는 Services
- 자원(Resources) 할당
- Accounting
- Protection & Security

System Call
직접적으로 사용하지 않으며 High-Level Language로 작성된 API가 제공된다.
각 System Call에 대한 번호와 루틴은 Table의 형태로 저장된다.
루틴이 끝난 뒤 System Call의 상태와 결괏값을 반환한다.

-직접 System Call을 만들어보는 방법-
1. System Call 함수 정의
2. System Call 번호 할당
3. System Call 함수 Table에 등록
4. Kernel Rebuild & Test

System Call의 종류
- Process Control
- File Manipulation
- Device Manipulation
-Information Maintenance
- Communication
-Protection

이렇게 해서 1주차에 제가 배운 운영체제의 내용을 나름대로 정리해보았는데요!
이제 첫 번째 수업이라 운영체제 기능들을 간략하게만 알아보았는데요.
다음 시간부터는 각각의 항목을 더 자세히 배우는 수업이 될 것 같습니다.
제가 배우고 싶어 했던 과목이었던 만큼 열심히 공부하여 기록해보도록 하겠습니다.
감사합니다!