SECTION 1 운영체제와 컴퓨터

운영체제(OS; Operating System): 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스

펌웨어(firmware): 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치 X

1. 운영체제의 역할과 구조

역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스 생성/삭제, 자원 할당/반환 관리
• 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
• 디스크 파일 관리: 디스크 파일 어떠한 방법으로 보관할지 관리
• I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드, 컴퓨터 간의 데이터를 주고받는 것 관리

구조

• 시스템콜: 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
  • 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수 호출할 때 사용
  • I/O 요청 -> 유저 프로그램) 트랩(trap) 발동 → 올바른 I/O 요청인지 확인 → 유저 모드) 시스템콜 ~> 커널 모드로 변환되어 실행
    • ex. I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수 발동
    • 유저 모드에서 파일 읽지 X 커널 모드로 들어가 파일을 읽음 → 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직 수행
    • => 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근 차단, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호
  • 메모리(프로세스/스레드) → 시스템콜 → 커널 → OS
    • 하나의 추상화 계층 → 네트워크 통신/데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분 신경 ↓ 프로그램 구현
  • modebit: 시스템콜이 작동될 때 참고해서 유저모드/커널모드 구분
    • 1/0 값을 가지는 플래그 변수 (1: 유저 모드 / 0: 커널 모드)
    • 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제 통해서만 작동해야 함
    • ex. (유저 모드)카메라 이용 → 시스템콜 호출 -(mobit 1 → 0)→ (커널 모드)카메라 자원 이용한 로직 수행 -(mobit 0 -> 1)→ (유저 모드)이후 로직 실행

2. 컴퓨터의 요소

• CPU(Central Processing Unit): 인터럽트에 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행
  • 제어장치(CU; Control Unit): 프로세스 조작 지시
    • 입출력장치 간 통신 제어, 명령어 읽고 해석, 데이터 처리를 위한 순서 결정
  • 레지스터: CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
    • CPU와 직접 연결 → 연산 속도가 메모리보다 수십 배 ~ 수백 배 빠름
    • CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법 X → 레지스터를 거쳐 데이터 전달
  • 산술논리연산장치(ALU; Arthmetic Logic Unit): 산술 연산(덧셈, 뺄셈), 논리 연산(배타적 논리합/곱)
• DMA 컨트롤러: I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
  • CPU에만 너무 ↑ 인터럽트 요청 → CPU 부하 막아줌, 일 부담하는 보조 일꾼
  • 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지
• 메모리 (memory): 전자회로에서 데이터/상태/명령어 등 기록하는 장치
  • RAM(Random Access Memory)
  • CPU - 계산 담당, 일꾼 / 메모리 - 기억 담당, 작업장 (메모리 크기 - 작업장 크기)