운영체제란 무엇인가?

운영체제란?

하드웨어를 관리하는 프로그램이다.
컴퓨터 하드웨어어와 컴퓨터 사이의 중개인 역할을 하는 프로그램이다.

 

운영체제의 목적

1. User program을 실행하고 User Problem을 쉽게 해결하게 해 준다.
   1. 컴퓨터 사용을 더욱 쉽게 만들어준다.
2. 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공한다.
3. 컴퓨터의 하드웨어를 효율적인 방식으로 사용할 수 있게 한다.

Computer System

• 4가지 구성요소
  • User, Computer Hardware, System/application programs, Operating System

• Os만이 하드웨어와 직접 소통할 수 있다.
• OS는 하드웨어와 시스템, 애플리캐이션 사이를 중개한다.

 

OS View Points

User View

• Home PC User
  • 주요 목표는 쉬운 사용이다.
  • 리소스에 대한 활용 부분은 사용자가 생각할 필요가 없다.
• Mainframe/minicomputer -> SuperComputer
  • 자원의 활용을 최대화로 하는 것이 목표
  • 놀고 있는 자원 없이 최대한 활용하는 것이 이득
• Workstation
  • 사용자당 전용 리소스이지만 공유 리소스에 연결됨

System View

• Resource allocator
  • Resource : CPU, Memory, Stoarage, I/O Devices 등등..
  • 여러 개의 Program이 가동중일 때 각자가 리소스를 요구하게 된다. 
    그때 OS는 allocatior역할을 한다.
  • 충돌하는 리소스 요청을 관리한다.
• Control Program
  • 에러를 방지
  • 컴퓨터의 부적절한 사용을 막는다.

OS 정의

• Os는 느슨하게 정의된다.
  • 분명하게 정의 내리기 어렵다. 
  • Diverse H/W, various purpose
• Os = Kernel + System Programs
  • Kernol : OS의 기본 알고리즘들을 구현해둔 로직

Computer System Organization

• CPU : 연산을 수행한다.
• I/O devices [입출력장치] : 디스크, 모니터, 프린터 
  • Device controller에 의해 관리된다.
  • Device controller : Disk controller , USB controller, Graphics adaptor
• Memory : 프로그램들과 데이터
• System bus : channel을 연결
• CPU와 Devices는 병렬로 실행되고 있다.
  • System bus를 통해서 Memory와 연결된다.
• Memory controller가 접근을 동기화한다.

 

Computer Operations

Start up

• Bootstrap program : 컴퓨터가 켜지면 가장 먼저 실행되는 프로그램. 
  OS의 구동을 도와줌.
  • ROM, EEPROM [Electrically Eraseble Programmable ROM]에  저장됨.
  • CPU Register, Device controllers, Memory를 초기화한다.
  • OS kernel 로드, kernel 시작
• System daemons
  • 커널 백그라운드에서 계속 돌아간다.
  • init 프로세스 바로 아래에 위치함.
    • init이 제일 첫 번째 프로세스이고, init이 다른 daemon들을 시작시킴

Interrupt

• CPU를 멈추고 interrupt handler를 실행하고 보내는 event
• H/W interrupts
  • timer, keyboard, mouse, DMA -> System bus를 통해서 전달된다.
• S/W interrupts = system call
• interrupt handling : CPU의 주요 기능 중 하나.
  • 반드시 빨라야 한다.
• Interrupt handler : function = 함수 하나
• Interrupt vector : interrupt handler 주소들의 배열
• interrupt 된 instruction의 현재 주소와,  register 상태를 저장해야 한다.

 

Interrupt Timeline

CPU

• User process executing
• I/O interrupt processing

I/O device = Disk drive

• I/O request : Disk가 idle -> transferring -> idle.
  Disk에서 Memory로 데이터를 가져온 것
• Transfer done : I/O interrupt 처리. Memory에서 CPU로 데이터 가져오기.
• 위에 작업이 끝나면 CPU는 User process executing, I/O는 idle 상태
• I/O request -> Transfer -> idle -> 반복

I/o가 작업 중이라도, CPU는 다른 작업을 할 수 있다.
I/O 작업이 완료되면, 그때 인터럽트가 발생된다.

 

Storage Structure

• 프로그램들은 실행되기 전에 memory에 로드되어야 한다.
  • Memory : RAM (Random Access Memory)
  • load/store instruction를 사용해서 로드됨.
• 폰 노이만 아키텍처
  • 인스트럭션과 데이터가 같은 메모리에 저장된다.
    메모리는 CPU와 single channel로 연결된다.
  • 메모리는 cache의 사용으로 메모리 접근을 향상할 수 있다.
  • CPU는 multiple functional units을 가진다.
• Secondary storage [보조 기억 장치]
  • 보통 HDD [하드디스크]를 의미한다. 
  • 메인 메모리는 휘발성이고, 용량이 적기 때문에 보조 기억장치는 꼭 필요하다.

Storage device hierarchy

• 위로 갈수록 빠르고, 비싸다.
• 아래로 갈수록 느리고, 싸다.

Non-volatile storage

• SSD(Solid-State-Disks)
  • HDD보다는 빠르고, 비휘발성이다.
• Flash memory
• NVRAM : DRAM with battery backup power

I/O structure

Device controller

• CPU와 Device controller는 system bus를 통해서 연결되어 있다.
• OS는 device controller(H/W)와 어떻게 상호작용해야 하는지 알고 있는 device driver(software)를 가지고 있다.

I/O operations

1. CPU(OS)가 Device controller의 레지스터에 명령을 넣는다.
2. Device driver가 Device controller의 레지스터 내용을 로드한다.
3. Device controller가 레지스터 내용을 확인한다.
4. Device controller가 데이터를 송수신한다.
5. Device controller가 데이터 송수신을 마치면, 인터럽트를 발생시킨다.
6. Devicde dirver는 OS에게 control를 돌려준다.

DMA(Direct Memory Access)

• CPU는 critical path로부터 방출된다.
  • critical path : 가장 오랜 시간이 걸리는 경로

Computer System Architecture

Single-processor Systems

• 하나의 general-purpose processor + 다수의 special-purpose processors
  • main CPU에 의해 관리됨.

Multiprocessor Systems

• 2개 이상의 프로세서(CPU)로 구성되는 하나의 시스템
  • 하나의 프로세서로는 성능을 향상하기에 한계가 존재한다.
• 장점
  1. Throughput [단위시간 동안 처리되는 일의 양] 증가 
     • 프로세서 개수를 늘려서, 더 적은 시간에 많은 작업을 할 수 있다.
     • 하지만 N개의 CPU가 N배의 성능 향상을 의미하지는 않는다. [암달의 법칙]
       • 계속 증가하다가 수렴하게 됨.
  2. Economy of scale(from sharing)
     • Single-processor system을 여러 개 두는 것보다 비용이 더 적다.
       • 전원과 저장소 등을 여러 프로세서가 공유하기 때문이다.
  3. Increased reliability
     • 하나의 프로세서가 고장 나더라도 시스템이 멈추는 일은 없고, 속도만 느려진다
     • Graceful degradation
       • 더 많은 하드웨어 컴포넌트의 문제가 생길수록 동작 효율이나 속도가 점진적으로 감소한다.
     • Fault tolerance
       • 여러 개의 하드웨어 컴포넌트 중 일부가 문제가 생기더라도,
         전체 시스템의 불능 상태가 일어나지 않고 서비스를 제공한다.
       • Fault tolerance 시스템은 Graceful degradation 특징을 가진다.

MultiProcessor System

Asymmetric multi processing

• 하나의 프로세서가 다른 프로세서와 주종 관계
  • Master 프로세스가 다른 프로세스(slave)의 전체 시스템을 control 한다.
  • 각 Slave 프로세스는 Master 프로세스에게 작업을 할당받아 명령을 수행한다.

Symmetric multiprocessing(SMP)

• 모든 프로세서들은 동등하다.
  • 각 프로세서는 OS의 모든 작업을 같이 수행한다.
• 모든 프로세서가 같은 physical memory를 공유한다.
  • UMA(Unifrom Memory Access) : 어느 프로세서에서 어느 메모리에 접근하든 동일한 시간이 걸림.
  • NUMA(Non-UMA): 메모리의 일부분이 다른 부분보다 접근이 더 오래 걸릴 수 있다.

Multicore System

• 하나의 프로세서 내에 여러 개의 코어가 들어있는 것
  • 하나의 칩 내에서 커뮤니케이션(정보 교환)이 훨씬 효율적이다.
    • CPU가 2개인 커뮤니케이션보다 CPU 1개 내의 두 개의 코어끼리의 커뮤니케이션이 더 효율적이다.
  • 비용이 저렴하다.
    • 전력소비가 더 적다.