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동호의 블로그

OS Overview

•6 min•1,149 words
OS

김덕수 교수님 운영체제 강의를 듣고 정리한 글입니다.

🔷 운영체제의 역할

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✔︎ User Interface (편리성)

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

✔︎ Resource management (효율성)

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

✔︎ Process and Thread management

✔︎ System management

🔷 컴퓨터 시스템의 구성

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🔷 운영체제의 구분

✔︎ 동시 사용자 수

  • Single-user system
  • Multi-user system

✔︎ 동시 실행 프로세스 수

  • Single-tasking system
  • Multi-tasking system (Multiprogramming system)

✔︎ 작업 수행 방식 (사용자가 느끼는 사용 환경)

  • Batch processing system
  • Time-sharing system
  • Distributed processing system
  • Real-time system

🔷 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

✔︎ 단일 작업 (Single-tasking system)

  • 시스템 내에 하나의 작업(프로세스)만 존재
    • 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른 프로그램의 실행
  • 운영체제의 구조가 간단
  • 예) MS-DOS

✔︎ 다중 작업 (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 (~1940s)

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

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🔷 Batch Systems (1950s ~ 1960s)

비슷한 작업들은 모아두었다가 한번에 처리하자!

  • 모든 시스템을 중앙(전자계산소 등)에서 관리 및 운영
    • 시스템 지향적 (System-oriented)
  • 사용자의 요청 작업(천공카드 등)을 일정 시간 모아 두었다가 한번에 처리

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  • 장점
    • 많은 사용자가 시스템 자원 공유
    • 처리 효율(throughput) 향상
  • 단점
    • 생산성(productivity) 저하
      • 같은 유형의 작업들이 모이기를 기다려야 함
    • 긴 응답시간 (turnaround time)
      • 약 6시간 (작업 제출에서 결과 출력까지의 시간)

🔷 Time Sharing Systems (1960s ~ 1970s)

모아서 나중에 처리하지 말고 조금씩 번갈아 바로 처리하자

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

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  • 장점
    • 응답시간(response time) 단축 (약 5초)
    • 생산성(productivity) 향상
      • 프로세서 유휴 시간 감소
  • 단점
    • 통신 비용 증가
      • 통신성 비용, 보안 문제 등
    • 개인 사용자 체감 속도 저하
      • 동시 사용자 수 증가 → 시스템 부하 증가 → 느려짐 (개인 관점)

🔷 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 고장나도 정상 동작 가능)
  • 프로세서간 관계 및 역할 관리 필요

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🔷 Distributed Processing Systems

  • 네트워크를 기반으로 구축된 병렬처리 시스템 (Loosely-coupled system)
    • 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 독립성 유지, 공동 작업 가능
    • Cluster system, client-server system, P2P 등

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  • 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 치명적인 영향
      • 예) 발전소 제어, 무기 제어 등
    • Soft real-time task
      • 예) 동영상 재생 등
    • Non real-time task

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🔷 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) 등

✔︎ 유틸리티(Utility)

  • 비상주 프로그램
  • UI 등 서비스 프로그램

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🔷 운영체제 단일 구조 vs 계층 구조

✔︎ 단일 구조

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  • 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)

✔︎ 계층 구조

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  • 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

  • 커널의 크기 최소화
    • 필수 기능만 포함
    • 기타 기능은 사용자 영역에서 수행

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🔷 운영체제의 기능

  • 프로세스(Process) 관리
  • 프로세서(Processor) 관리
  • 메모리(Memory) 관리
  • 파일(File) 관리
  • 입출력(I/O) 관리
  • 보조 기억 장치 및 기타 주변장치 관리 등

✔︎ 프로세스(Process) 관리

  • 프로세스(Process)
    • 자원을 가진 실행 중인 프로그램 (커널이 관리)
    • 사용자 요청/프로그램의 수행 주제(entity)
  • OS의 프로세스 관리 기능
    • 생성/삭제, 상태 관리
    • 자원 할당
    • 프로세스 간 통신 및 동기화(synchronization)
    • 교착상태(deadlock) 해결
  • 프로세스 정보 관리
    • PCB (Process Control Block)

✔︎ 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

✔︎ 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)
      • 장점: 메모리의 효율적 활용
      • 단점: 보조기억 장치 접근 필요

✔︎ 파일(File) 관리

  • 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 mapping
    • 백업 등

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✔︎ I/O Management

  • 입출력(I/O) 과정
    • OS를 반드시 거쳐야 함

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✔︎ Others

  • Disk
  • Networking
  • Security and Protection system
  • Command interpreter system
  • System call interface
    • 응용 프로그램과 OS 사이의 인터페이스
    • OS가 응용프로그램에게 제공하는 서비스