운영체제

운영체제의 역할과 구조

역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리

2. 메모리 관리

3. 디스크 파일관리

4. I/O 디바이스 관리

구조

메모리 구조

1. 코드 영역

2. 데이터 영역

3. 스택 영역

4. 힙 영역

코드 영역

• 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역으로 텍스트 영역이라고도 불림.

• CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리하게 됨

데이터 영역

• 프로그램의 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 영역

• 프로그램의 시작과 함께 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸

스택 영역

• 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역

• 함수의 호출과 함께 할당되며 호출이 완료되면 소멸

• 푸시(push) - 데이터 저장, 팝(pop) - 데이터 인출

• 후입선출 방식으로 동작해 가장 늦게 저장된 데이터가 가장 먼저 인출

• 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당

힙 영역

• 사용자가 직접 관리할 수 있는 ‘그리고 해야만 하는’ 메모리 영역

• 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제

• 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당

동기/비동기 & 블로킹/논블록킹

동기

• 동기 작업은 요청한 작업에 대해 순서가 지켜지는 것

• 요청한 작업에 대해 완료 여부를 따짐

비동기

• 비동기 작업은 요청한 작업에 대해 순서가 지켜지지 않을 수 있다는 것

• 요청한 작업에 대해 완료 여부를 따지지 않음

Blocking/Non-Blocking

프로세스(Process)

프로세스 상태

• New : 프로그램이 메인 메모리에 할당된다.

• Ready : 할당된 프로그램이 초기화와 같은 작업을 통해 실행되기 위한 모든 준비를 마친다.

• Running : CPU가 해당 프로세스를 실행한다.

• Waiting : 프로세스가 끝나지 않은 시점에서 I/O로 인해 CPU를 사용하지 않고 다른 작업을 한다. (해당 작업이 끝나면 다시 CPU에 의해 실행되기 위해 ready상태로 돌아가야함)

• Terminated : 프로세스가 완전히 종료된다.

PCB(Process Control Block)

• PCB안에는 프로세스의 상태, 프로세스 번호(PID), 해당 프로세스의 program counter(pc), register값, MMU정보, CPU점유 시간 등이 포함되어 있다.

• 운영체제 내부의 프로세스를 관리하는 코드 부분에 저장되어 있다.

프로세스 큐(Queue)

• Job Queue : 하드 디스크에 있는 프로그램이 실행되기 위해 메인 메모리의 할당 순서를 기다리는 큐

• Ready Queue : CPU 점유 순서를 기다리는 큐

• Device Queue : I/O를 하기 위한 여러 장치가 있는데, 각 장치를 기다리는 큐가 각각 존재

Context Switching(문맥 전환)

• Scheduler : CPU Scheduler를 말하며, CPU가 어느 프로세스를 선택할지 정한다.

• Dispatcher : 실제 context switching이 발생하면 CPU의 내부 데이터를 이전 프로세스 데이터에서 새로 시작되는 데이터로 바꿔준다.

인터럽트(Interrupt)

실행순서

1. 입출력장치는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보냄

2. CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전 항상 인터럽트 여부를 확인

3. CPU는 인터럽트 요청을 확인하고, 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인

4. 인터럽트를 받아들일 수 있다면 CPU는 지금까지의 작업을 백업

5. CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행

6. 인터럽트 서비스 루틴 실행이 되면 4에서 백업해 둔 작업을 복후하여 실행을 재개합니다.

IPC

1. 공유 메모리
• 프로세스끼리 공유하는 메모리 영역을 구축하고 데이터를 공유
• 공유 메모리 영역을 구축할때만 system call이 필요하고, 그 후 모든 접근은 일반적인 메모리 접근으로 취급되어 커널의 도움이 필요없다.
• 동기화 작업이 필요

2. 메시지 전달
• 동기화 작업이 필요 없어 적은 양의 데이터를 교환하는데 유용
• 공유 메모리 모델이 메시지 전달 모델보다 빠름

데드락

운영체제 연산

유저모드

• 사용자가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두고, 프로그램의 자원에 함부로 침법하지 못하는 모드

• 유저모드에서 코드를 작성하고 프로세스를 실행하는 등의 행동을 할 수 있음

커널모드

• 잘못된 프로그램으로 인해 다른 프로그램이 잘못 실행되지 않도록 하기 위해 사용되는 모드

• 모든 자원에 접근, 명령을 할 수 있음

락(Lock)

락이 필요한 이유

임계구역(Critical-Section)

• 한 번에 하나의 프로세만 이용하여 접근을 제안하는 방식으로 같은 프로세스안의 스레드끼리는 동기화를 진행하여서 프로세스를 진행

• 프로세스 안에서도 같은 자원에 대해서는 순차적으로 스레드가 실행

스핀 락(Spin Lock)

• Lock과 Unlock을 사용하여 공유 자원의 접근을 관리하는 방식

• 대기 중인 스레드는 CPU를 점유한 상태로 공유 자원의 락이 해제되었는지 지속적으로 확인하는 Busy Waiting 상태가 되게 되어 단일 CPU 경우에는 무한 루프에 빠지게 됨

• CPU를 점유한 상태로 공유자원의 상태를 지속적으로 확인하기 때문에 빠르게 작업 수행 가능

뮤텍스 락(Mutex Locks)

• 동기화를 위한 가장 간단한 도구

• 세마포어와는 다르게 하나의 쓰레드만을 제어할 수 있습니다.

• 바이너리 세마포어라고 부를 수 있다.(세마포어 값이 0또는 1)

• 다른 프로세스로부터 임계구역을 보호하고 경쟁 상태를 예방

세마포어(Semaphore)

• 뮤텍스 락보다 더욱 강력하고 편리하고 효율적인 도구

• n개의 쓰레드를 제어할 수 있다.

모니터(Monitor)

• 뮤텍스락과 세마포어의 단점을 극복한 동기화 도구

페이징(Paging)

가상 메모리(Virtual Memory)

• 가상 메모리에 올라간 페이지들을 메모리 맵을 통해서 물리적인 메모리 공간에 매핑시킵니다.

• 실제 물리적인 메모리에 올라간 페이지들을제외한 나머지 페이지들은 보조기억장치인 Backing Store(보조기억장치)에 저장됩니다.

• 가상 메모리의 페이지 공유 기술을 통하여 2개 이상의 프로세스에 의해서 파일과 메모리를 공유하는 것을 허용합니다.

가상 주소 공간

• 프로세스가 메모리에 어떻게 저장되는 방법에 대한 논리적 뷰

• 논리적 주소는 0부터 시작하고 이 가상 주소 공간은 연속적인 메모리에 올린 것처럼 존재하게 됩니다.

marshaling

• 직렬화
• 데이터를 바이트 스트림으로 변환하는 과정
• 메모리에 저장된 객체나 데이터를 네트워크를 통해 전송 가능한 형태로 변환하는 작업

• 데이터 포맷 변환
• 데이터를 전송에 적합한 형태로 변환하여 상호 운용성을 확보한다.

CPU 스케줄러

• 선점 스케줄링(Preemptive)
• 프로세스가 스케줄러에 의해 CPU를 선점하는 방식 → 강제적

• 비선점 스케줄링(Non-preemptive)
• 프로세스가 자율적으로 반납할 때까지 CPU를 선점하는 방식

스케줄링 결정 시점

• Running → Wating : I/O 요청, wait()요청을 통한 자식 프로세스 종료 - 비선점

• Running → Ready : 인터럽트 발생 - 선점 or 비선점

• Wating → Ready : I/O 완료 - 선점 or 비선점

• Terminate : 부모 프로세스 종료 - 비선점

CPU의 구조

1. 산술/논리 연산 장치(Arithimetic Logic Unit, ALU)
• 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다.
• 캐시나 메모리로부터 읽어 본 데이터는 레지스터라는 CPU전용의 기억장소에 저장

2. 레지스터(Register)
• 중앙처리장치 내부에 있는 기억장치
• 범용 레지스터와 전용 레시스터로 구분 가능
• IR(Instruction Register) : 현재 수행 중에 있는 명령어 부호를 저장하고 있는 레지스터
• PC(Program Counter) : 명령이 저장된 메모리의 주소를 가리키는 레지스터
• AC(Accumulator) : 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터

3. 제어장치(Control Unit, CU)
• CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치
• 프로그램의 수행 순서를 제어한느 프로그램 계수기, 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터, 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기로 이루어짐

명령어

• 동작 코드(Op-code) : 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현

• 오퍼랜드(Operand) : 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미

• 읽기(Fetch Instruction, FI) : 메모리에서 명령을 가져온다.

• 해석(Decode Instruction, DI) : 명령을 해석한다.

• 실행(Execute Instruction, EI) : 명령을 수행한다.

• 기록(Write Back, WB) : 수행한 결과를 기록한다.

• 하나의 사이클로 명령어를 처리

• 메모리 Load/Store 명령만 처리하는 방식

• 복잡한 컴파일러 구조

• 여러 사이클로 명령어를 처리

• 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식

• 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 가짐

RAM

• DRAM(Dynamic RAM)
• 저장된 데이터가 동적으로 사라지는 RAM
• 데이터 소멸을 막기 위해 주기적으로 재활성화해야(refresh)
• 일반적으로 메모리로 사용되는 RAM

• SRAM(Static RAM)
• 저장된 데이터가 정적인 RAM
• DRAM보다 일반적으로 더 빠름
• 일반적으로 캐시 메모리에 사용되는 RAM

• SDRAM(Synchronous DRAM)
• 특별한 SDRAM
• 클럭 신호와 동기화된 DRAM

• DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM)
• 특별한 SDRAM
• 최근 가장 대중적으로 사용
• 대역폭을 넓혀 속도를 빠르게 만든 SDRAM

사용자 인터페이스

1. CLI (Command Line Interface) : 문자열로 명령하는 인터페이스를 제공

2. Batch Interface : 디렉티브가 파일 형태로 입력되고, 파일을 통해 인터페이스를 제공

3. GUI (Graphical User Interface) : 가장 보편적, 그래픽 요소들을 통해 인터페이스를 제공

시스템 호출(System Calls)

• API(Applicatoin Programming Interface)를 통해 System Call을 대부분 호출

1. 프로세스 제어

2. 파일 조작

3. 장치 조작

4. 정보 유지 보수

5. 통신과 보호