[KOCW 반효경 운영체제] 1. Introduction to Operating Systems

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운영체제

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운영체제란 무엇인가?

운영체제(Operating System, OS)란?

💡컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층

• 운영체제도 하나의 소프트웨어로서 전원이 켜짐과 동시에 메모리에 올라간다. 하지만 운영체제처럼 규모가 큰 프로그램이 모두 메모리에 올라간다면 한정된 메모리 공간의 낭비가 심할 것이다. 따라서 운영체제 중 항상 필요한 부분만을 전원이 켜짐과 동시에 메모리에 올려놓고 그렇지 않은 부분은 필요할 때 메모리로 올려서 사용하게 된다.
• 운영체제를 통해 사용자는 컴퓨터 하드웨어에 직접 접근하지 않고 쉽게 컴퓨터를 사용할 수 있게 된다.
• 운영체제를 제외한 다른 소프트웨어들도 하드웨어랑 직접 접하기 보다는 운영체제의 관리를 받으며 실행된다.
• 좁은 의미의 운영체제(커널) : 운영체제의 핵심 부분으로 항상 메모리에 상주하는 부분. 운영체제라 함은 보통 커널만을 의미한다.
• 넓은 의미의 운영체제 : 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티(파일 복사 프로그램등)를 포함한 개념. 이와 같은 유틸리티들은 항상 메모리에 올려져 있는 것이 아닌 필요할 때 올라가는 별도의 프로그램이다.

운영체제의 목표

• 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공
  • 운영체제가 하드웨어를 적절히 관리하여 운영체제는 동시 사용자/프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환경을 제공
  • 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행

• 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
  • 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 하드웨어 자원 효율적 관리
    • 사용자 간의 형평성 있는 자원 분배
    • 주어진 자원으로 최대한의 성능을 내도록
    • CPU 스케줄링 : 실행중인 프로그램들에게 짧은 시간 씩 CPU를 번갈아 할당.
    • 메모리 관리 : 실행 중인 프로그램들에 메모리 공간을 적절히 분배
  • 사용자 및 운영체제 자신의 보호. 여러 사용자의 프로그램이 하나의 컴퓨터에서 실행될 때, 사용자가 다른 사용자의 프로그램이 올라가 있는 메모리 영역을 침범하거나 특정 파일에 접근하는 일이 생기면 안 된다.
  • 프로세스, 파일, 메시지 등의 소프트웨어 자원 관리
  → 운영체제는 하드웨어 자원 뿐만 아니라 소프트웨어 자원도 관리해야 할 책임을 가지고 있다.

운영체제의 분류

동시 작업 가능 여부

• 단일 작업(single tasking)
  • 한 번에 하나의 작업만 처리
  • 특수 작업을 위한 운영체제에 쓰임
  • 예) MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음
• 다중 작업(multi tasking)
  • 동시에 두 개 이상의 작업 처리
  • 현대에는 거의 모든 os가 다중 작업 처리를 한다.
  • 예) UNIX, MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음.

사용자의 수

• 단일 사용자(single user) : 동시 접속 불가능
  • 예) MS-DOS, MS Windows
• 다중 사용자(multi user) : 동시 접속 가능 → 사용자들 간의 형평성 있는 자원 공유, 보안 등의 기능이 추가가 되어야 한다.
  • 예) UNIX, NT server

처리 방식

• 일괄 처리(batch processing)
  • 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
  • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
  • 예) 초기 Punch Card 처리 시스템

• 시분할(time sharing)
  • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
  • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
  • 예) UNIX
  • interactive한 방식
  • 주어진 자원을 최대한 활용하는 것이 목적이기 때문에 정확한 시간을 지켜주는 시스템은 아니다.
  • 사용자의 요청에 대한 결과를 곧바로 얻을 수 있으므로 대화형 시스템이라고 부른다.

• 실시간(Realtime OS)
  • 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간시스템을 위한 OS
  • 예) 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로보트 제어
  • 실시간 시스템의 개념 확장(시간 제약의 중요성에 따라 분류)
    • Hard realtime system(경성 실시간 시스템) : 무조건 실시간으로 제공되어야만 하는 시스템
    • Soft realtime system(연성 실시간 시스템) : 실시간으로 제공되어야 하지만, 제공되지 못한다고 해서 치명적인 결과를 도출하진 않는 시스템(예: 동영상 로딩)

몇 가지 용어

• Multitasking
  • 여러 작업이 동시에 실행됨.
  • 여러 개의 프로그램이 실행되고 있지만, CPU에서는 한 순간에 하나의 작업만 실행되고 있음
  • 짧은 시간 간격으로 분할해서 사용하기 때문에 동시에 실행되는 것처럼 보임
• Multiprogramming
  • 메모리에 여러 프로그램이 동시에 올라가는 방식
  • Multitasking이 되려면 당연히 Multiprogramming이 되어야 하지만, Multiprogramming은 메모리 측면에서 강조되어 사용된다.
• Time sharing
  • CPU의 시간을 쪼개서 다른 프로그램이 함께 사용된다는 CPU를 강조하여 사용되는 언어.
• Multiprocess
• 구분
  • 위의 용어들은 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻한다.
  • Multiprogramming은 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있음을 강조
  • Time Sharing은 CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
• Multiprocessor
  • 하나의 컴퓨터에 CPU(processor)가 여러 개 붙어 있음을 의미
  • 하드웨어적으로 사용하는 용어로, 위의 용어들과 차이를 보임.

운영체제의 예

유닉스(UNIX)

• 코드의 대부분을 C언어로 작성
• 높은 이식성
• 최소한의 커널 구조
• 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
• 소스 코드 공개
• 프로그램 개발에 용이
• 다양한 버전
  • System V, FreeBSD, SunOS, Solaris
  • Linux
• 대형 컴퓨터를 위해서 만들어진 운영체제

DOS(Disk Operating System)

• MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
• 단일 사용자용 운영체제, 메모리 관리 능력의 한계(주 기억 장치 : 640KB)

MS Windows

• MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영체제
• Plug and Play, 네트워크 환경 강화
• DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
• 불안정성
• 풍부한 지원 소프트웨어
• 개인용 컴퓨터를 위한 운영체제

Handheld device를 위한 OS

• PalmOS, Pocket PC(WinCE), Tiny OS

운영체제의 구조

• CPU 스케줄링 : 어느 프로그램을 먼저 처리할 것인지
• 메모리 관리 : 어느 프로그램에게 언제 얼만큼의 자원을 줄 것인지, 메모리가 꽉 찼을 때 어느 프로그램을 메모리에서 지울 것인지
• 파일 관리 : 디스크에 파일을 어떻게 저장할 것인지, 디스크에 들어온 요청들을 어떻게 처리할 것인지
• 입출력 관리 : I/O device는 CPU, 메모리보다 훨씬 느리기 때문에 어떻게 정보를 주고받을 것인지
• 프로세스 관리 : 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환, 프로세스 간 협력
• 그 외 : 보호 시스템, 네트워킹, 명령어해석기(command line interpreter)

참고 - https://steady-coding.tistory.com/510