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Programming/운영체제

Ch2. 운영체제 개요

weekyear 2021. 6. 16. 16:54

Ch2. 운영체제 개요

운영체제의 역할

1. User Interface (편리성)

  • CUI (Character User Interface)
  • GUI (Graphic User Interface)
  • EUCI (End-User Comfortable Interface)

2. Resource management (효율성)

  • HW resource (processor, memory, I/O devices, Etc.)
  • SW resource (file, application, message, signal, Etc.)

3. Process and Thread management

  • Process : 프로그램 실행의 주체

4. System management (시스템 보호)

 

[색이 칠해진 부분이 OS 층]

 

운영체제의 구분

동시 사용자 수

  • 단일 사용자 (Single-user system)
    • 한 명의 사용자만 시스템 사용 가능
      • 한 명의 사용자가 모든 시스템 자원 독점
      • 자원관리 및 시스템 보호 방식이 간단 함
    • 개인용 장비(PC, mobile) 등에 사용
      • Windows 7/10, android, MS-DOS 등
  • 다중 사용자 (Multi-user system)
    • 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용
      • 각종 시스템 자원(파일 등)들에 대한 소유 권한 관리 필요
      • 기본적으로 Multi-tasking 기능 필요
      • OS의 기능 및 구조가 복잡
    • 서버, 클러스터(cluster) 장비 등에 사용
    • Unix, Linux, Windows server 등

동시 실행 프로세스 수

  • 단일작업 (Single-tasking system)
    • 시스템 내에 하나의 작업(프로세스)만 존재
      • 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른 프로그램의 실행
    • 운영체제의 구조가 간단
    • 예) MS-DOS
  • 다중작업 (Multi-tasking system)
    • 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능
      • 작업들 사이의 동시 수행, 동기화 등을 관리해야 함
    • 운영체제의 기능 및 구조가 복잡
    • 예) Unix/Linux, Windows 등

작업 수행 방식

  • Batch processing system
    • 일괄처리 시스템
  • Time-sharing system
    • 시분할 시스템
  • Distributed processing system
    • 분산처리 시스템
  • Real-time system
    • 실시간 시스템

순차 처리 (No OS, ~1940s)

  • 운영체제 개념 존재하지 않음
    • 사용자가 기계어로 직접 프로그램 작성
    • 컴퓨터에 필요한 모든 작업 프로그램에 포함
      • 프로세서에는 명령어 저장 방법, 계산 대상, 결과 저장 위치와 방법, 출력 시점, 위치 등
  • 실행하는 작업 별 순차 처리
    • 각각의 작업에 대한 준비 시간이 소요

Batch Systems (1950~1960s)

  • 모든 시스템을 중앙(전자계산소 등)에서 관리 및 운영
  • 사용자의 요청 작업(천공카드 등)을 일정 시간 모아 두었다가 한번에 처리
  • 시스템 지향적
  • 장점
    • 많은 사용자가 시스템 자원 공유
    • 처리 효율(throughput) 향상
  • 단점
    • 생산성 저하
      • 같은 유형의 작업들이 모이기를 기다려야 함
    • 긴 응답시간(turnaround time)
      • 약 6시간 (작업 제출에서 결과 출력까지의 시간)

Time Sharing Systems (1960~1970s)

  • 여러 사용자가 자원을 동시에 사용
    • OS가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리
  • 사용자 지향적
    • 대화형(conversational, interactive) 시스템
    • 단말기(CRT terminal 사용)

 

  • 장점
    • 응답시간 단축 (약 5초)
    • 생산성(productivity) 향상
      • 프로세서 유휴 시간 감소
  • 단점
    • 통신 비용 증가
      • 통신선 비용, 보안 문제 등
    • 개인 사용자 체감 속도 저하
      • 동시 사용자수 늘어남 => 시스템 부하 => 느려짐

Personal Computing

  • 개인이 시스템 전체 독점
  • CPU 활용률(utilization)이 고려의 대상이 아님
  • OS가 상대적으로 단순함
    • 하지만, 다양한 사용자 지원 기능 지원
  • 장점
    • 빠른 응답시간
  • 단점
    • 성능(performance)이 낮음

Parallel Processing System

  • 단일 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서 사용
    • 동시에 둘 이상의 프로세스 지원
  • 메모리 등의 자원 공유 (Tightly-coupled system)
  • 사용 목적
    • 성능 향상
    • 신뢰성 향상 (하나가 고장 정상 동작 가능)
  • 프로세서간 관계 및 역할 관리 필요

Distributed Processing Systems

  • 네트워크를 기반으로 구축된 병렬처리 시스템

 

  • 물리적인 분산, 통신망 이용한 상호 연결
  • 각각 운영체제 탑재한 다수의 범용 시스템으로 구성
  • 사용자는 분산운영체제를 통해 하나의 프로그램, 자원처럼 사용 가능 (은폐성, transparency)
  • 각 구성 요소들간의 독립성유지, 공동작업 가능
  • Cluster system, client-server system, P2P 등
  • 장점
    • 자원 공유를 통한 높은 성능
    • 고신뢰성, 높은 확장성
  • 단점
    • 구축 및 관리가 어려움

Real-time Systems

  • 작업 처리에 제한 시간(deadline)을 갖는 시스템
    • 제한 시간 내에 서비스를 제공하는 것이 자원 활용 효율보다 중요
  • 작업(task)의 종류
    • Hard real-time task
      • 시간 제약을 지키지 못하는 경우 시스템에 치명적 영향
      • 예) 발전소 제어, 무기 제어 등
    • Soft real-time task
      • 동영상 재생 등
    • Non real-time task

운영체제의 구조

커널(Kernel)

  • OS의 핵심 부분(메모리 상주)
    • 가장 빈번하게 사용되는 기능들 담당
      • 시스템 관리(processor, memory, Etc) 등
    • 동의어
      • 핵 (neucleus), 관리자 (supervisor) 프로그램, 상주 프로그램 (resident program), 제어 프로그램 (control program)

유틸리티 (Utility)

  • 비상주 프로그램
  • UI 등 서비스 프로그램

  • 시스템 콜 : 커널에 뭔가를 요청하는 통로

단일 구조

운영체제의 기능을 하나의 거대한 커널에 모아놓은 것

  • 장점
    • 커널 내 모듈간 직접 통신
      • 효율적 자원 관리 및 사용
  • 단점
    • 커널의 거대화
      • 오류 및 버그, 추가 기능 구현 등 유지보수가 어려움
      • 동일 메모리에 모든 기능이 있어, 한 모듈의 문제가 전체 시스템에 영향(예, 악성 코드 등)

계층 구조

기능 별로 따로 떼어서 계층적으로 묶는 방식, 현대 운영체제가 보통 이런 방식

 

  • 장점
    • 모듈화
      • 계층간 검증 및 수정 용이
      • 설계 및 구현의 단순화
  • 단점
    • 단일구조 대비 성능 저하
    • 원하는 기능 수행을 위해 여러 계층을 거쳐야 함

마이크로 커널 구조

커널이 점점 커지니깐 문제가 되기 때문에 커널에는 진짜 필수적인 기능만 넣고 기타 기능은 응용 프로그램처럼 실행하는 방식

운영체제의 기능

  1. 프로세스(Process) 관리
  2. 프로세서(Processor) 관리
  3. 메모리(Memory0 관리
  4. 파일(File) 관리
  5. 입출력(I/O) 관리
  6. 보조 기억 장치 및 기타 주변장치 관리 등

1. 프로세스(Process) 관리

프로세스

  • 커널에 등록된 실행 단위 (실행 중인 프로그램)
  • 사용자 요청/프로그램의 수행 주체(entity)

OS의 프로세스 관리 기능

  • 생성/삭제, 상태 관리
  • 자원 할당
  • 프로세스 간 통신 및 동기화
  • 교착상태(deadlock) 해결

프로세스 정보 관리

  • PCB (Process Control Block)

2. 프로세서(Processor) 관리

중앙 처리 장치 (CPU)

  • 프로그램을 실행하는 핵심 자원

프로세스 스케줄링(Scheduling)

  • 시스템 내의 프로세스 처리 순서 결정

프로세서 할당 관리

  • 프로세스들에 대한 프로세서 할당
    • 한 번에 하나의 프로세스만 사용 가능

3. 메모리(Memory) 관리

  • 주기억장치
    • 작업을 위한 프로그램 및 데이터를 올려 놓는 공간
  • Multi-user, Multi-tasking 시스템
    • 프로세스에 대한 메모리 할당 및 회수
    • 메모리 여유 공간 관리
    • 각 프로세스의 할당 메모리 영역 접근 보호
  • 메모리 할당 방법(scheme)
    • 전체 적재
      • 장점: 구현이 간단 / 단점: 제한적 공간
    • 일부 적재 (virtual memory concept)
      • 프로그램 및 데이터의 일부만 적재
      • 장점: 메모리의 효율적 활용 / 단점: 보조기억 장치 접근 필요

4. File Management

  • 파일: 논리적 데이터 저장 단위
  • 사용자 및 시스템의 파일 관리
  • 디렉토리(directory) 구조 지원
  • 파일 관리 기능
    • 파일 및 디렉토리 생성/삭제
    • 파일 접근 및 조작
    • 파일을 물리적 저장 공간으로 사상(mapping)
    • 백업 등

5. I/O Management

출처

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