[운영체제] 1. 운영체제와 컴퓨터

1.1 운영체제                                                                                                                                                             

운영체제 (OS, Operating System)은 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해 주는 인터페이스
한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 일꾼

💡 펌웨어(firmware) : 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것

1.1.1 운영체제의 역할

역할	설명
CPU 스케줄링과 프로세스 관리	CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할 지, 프로세스의 생성, 삭제, 자원 할당 및 반환 관리
메모리 관리	한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
디스크 파일 관리	디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
I/O 디바이스 관리	I/O 디바이스인 마우스, 키보드, 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

1.1.2 운영체제의 구조

유저 프로그램
    ↓
   GUI          ← 사용자가 보는 화면            ┐
    ↓                                       
 시스템콜         ← 커널에 접근하기 위한 인터페이스   │  
    ↓                                         운영체제
   커널          ← 운영체제의 핵심               │ 
    ↓                                        
 드라이버         ← 하드웨어를 제어하는 소프트웨어    ┘
    ↓
 하드웨어

• GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 인터페이스
• CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스 (ex. 리눅스 서버)
• 시스템콜 : 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
• 커널 : 운영체제의 핵심 부분, 시스템콜 인터페이스를 제공하며 운영체제의 중추적인 역할 수행
• 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

시스템콜

시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용

시스템콜의 역할

시스템콜은 추상화 계층의 역할을 수행

• 네트워크 통신, 데이터베이스 같은 낮은 단계의 처리를 직접 구현하지 않아도 됨
• fs.readfile()같은 함수 호출만으로 파일 시스템에 접근 가능

동작 흐름 (I/O 요청 예시)

유저 프로그램이 fs.readFile() 호출
        ↓
    시스템콜 호출 (트랩 발생)
        ↓
  modebit 1 → 0 (유저모드 → 커널모드)
        ↓
    파일 시스템에서 파일 읽기 수행
        ↓
  modebit 0 → 1 (커널모드 → 유저모드)
        ↓
    이후 유저 프로그램 로직 수행

이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음

modebit

시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분
modebit은 1또는 0의 값을 가지는 플래그 변수

modebit	mode	설명
1	유저 모드	유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며, 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
0	커널 모드	모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

modebit이 필요한 이유

카메라, 키보드와 같은 I/O 디바이스는 반드시 운영체제를 통해서만 작동을 해야 함
만약 유저 모드에서 직접 제어가 가능하다면, 공격자가 사용자의 동의 없이 카메라를 켜거나 키 입력을 가로채는 일이 가능해짐

---

1.2 컴퓨터의 요소                                                                                                                                                              

컴퓨터는 운영체제, CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있음

컴퓨터의 요소

1.2.1 CPU

CPU (Central Processing Unit)은 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말함
인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼 

CPU의 구성요소

구성 요소	설명
제어 장치 (CU, Control Unit)	프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어를 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정
레지스터 (register)	CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치 CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 ~ 수백 배 빠름 CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달
산술논리연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)	덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

CPU 연산 처리 흐름

① 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드 + 레지스터로 로드
② 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
③ 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 저장

인터럽트(Interrupt)

인터럽트란 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것

인터럽트가 발생하면 인터럽트 벡터로 이동해 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨
인터럽트 간에는 우선순위가 있고, 그 우선순위에 따라 실행됨

인터럽트 종류

종류	설명	예시
하드웨어 인터럽트	IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트	키보드 연결, 마우스 클릭
소트트웨어 인터럽트 (= 트랩)	프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발생	0으로 나누기, 프로세스 오류

💡 인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수
                                        커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 등록

---

1.2.2 DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치

• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주는 보조 일꾼
• 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지

---

1.2.3 메모리(Memory)

메모리(RAM)은 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당

공장에 비유하자면 CPU는 일꾼이고, 메모리는 작업장
작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다 놓고 많은 일을 할 수 있듯이, 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있음

---

1.2.4 타이머(Timer)

타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할

• 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
• 타이머가 없다 -> 하나의 프로그램이 CPU를 무한정 독점하는 상황 발생

---

1.2.5 디바이스 컨트롤러 (Device Controller)

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리