What is an OS
Reference: 이화여대 운영체제 강의 - 반효경 교수님
운영체제란?
사용자가 하드웨어를 몰라도 컴퓨터 시스템을
편하게사용할 수 있는환경을 제공한다컴퓨터 시스템의 한정된
자원(CPU, Memory, I/O)를으로 최대한의 성능을 내도록효율적으로 관리한다ex)
실행중인 프로그램들에게 짧은 시간씩 CPU를 번갈아 할당 (
round robin)실행중인 프로그램들에 memory 공간을 적절히 분배
memory: CPU의 작업 공간
컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는
소프트웨어 계층좁은 의미 (커널)
운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
넓은 의미
커널 뿐만 아니라 각종 주변 system utility를 포함한 개념
운영체제의 기능
컴퓨터가 부팅이 된다
== memory에 운영체제가 올라간다
Kernel
컴퓨터가 실행되면 memory에 상주한다
CPU 관리
매 클럭마다 memory에 있는 기계어를 읽어와 연산을 한다
CPU는 직접 I/O 장치에 접근할 수 없다
I/O들은 각자 동작을 담당하는 작은 CPU와 같은
I/O 컨트롤러가 있고, CPU는 컨트롤러에 요청햐여 I/O 장치에 필요한 작업을 실행하게 한다
CPU Scheduling
운영체제의 가장 중요한 기능!
운영체제 내부에 있는 기계어가 CPU에게 특정 프로그램을 실행하도록 명령, 즉 스케줄링 한다
한정된 시간동안만 특정 프로그램이 CPU를 사용하도록 하고, 주어진 시간이 끝나면 CPU를 다른 프로그램에 넘긴다
→ 운영체제가 단독으로 진행할 수는 없고, 하드웨어의 도움을 받는다
Memory 관리
한정된 memory를 어떻게 쪼개어 쓸지
디스크 Scheduling
디스크는 느리다!
CPU는 오래 걸리는 작업(ex. 디스크에서 파일 읽기)을 실행하는 중에 다른 작업으로 넘어가서 다른 작업을 실행한다
CPU 처럼 I/O 장치에도
여러 요청이 동시에 들어오는데, 어떤 순서로 효율적으로 처리할지 운영체제가 scheduling 하여 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 한다
Interrupt 와 Caching
빠른 CPU와 느린 I/O 장치 간 속도차를 완충하기 위해 Interrupt 와 Caching를 활용한다
Caching
중간 단계를 두는 것
자주 조회되는 데이터를 memory에 caching
Interrupt
CPU는 I/O 컨트롤러에 일을 시키고
기다리지 않고당장 실행할 수 있는 작업을 찾아 해당 작업을 실행한다I/O 컨트롤러는 작업이 완료 됐음을
Interrupt를 통해 CPU에게 알린다CPU는 매 작업이 끝난 후
Interrupt check를 해서 실행한 작업들이 끝났는지 확인한다
Interrupt가 들어오면 CPU는 운영체제에게 넘어가고, 종료된 작업이 다시 CPU가 실행할 수 있게 한다
Interrupt는 느린 장치(ex. 디스크 I/O)들이 작업이 완료되었음을 CPU에게 알리기 위한 장치이다
운영 체제의 목적
컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공
컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
컴퓨터의 두뇌는 CPU 가 아니라 OS다! (교수님 생각)
CPU는 계산을 잘하는 존재
Memory는 기억을 하는 존재
OS는 그들을 어떻게 사용할지
판단하는 존재 (통치자)ex) 프로그램마다 메모리를 적절히 나눠줘야 하는데, 그 때 OS가 결정을 한다
운영 체제의 분류
동시 작업 가능 여부
단일 작업 (single tasking)
한 번에 하나의 작업만 처리
다중 작업 (multi tasking)동시에 두 개 이상의 작업 처리
ex) 하나의 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있다
사용자의 수
단일 사용자 (single user)
ex) MS-DOS, MS Windows
다중 사용자 (multi user)ex) Unix, Linux
다중 사용자가 쓸 수 있게 보안 / 권한 문제에 대한 해결이 필요함
처리 방식
일괄 처리 (Batch processing)
작업 요청의 일정량을 모아서 한꺼번에 처리
작업이 완전히 종료될 때까지 기다려야함
ex) 초기 Punch Card 처리 시스템
시분할 (Time sharing)여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 단위로 분할하여 사용
일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
Interactive 한 방식
주어진 자원을 시간을 쪼개서 최대한 효율적으로 쓰는 방식
ex) Unix
실시간(Realtime OS)
정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨을 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
실시간 시스템의 개념 확장
Hard realtime system
Deadline을 어기면 큰 문제가 발생
ex) 원자로 / 공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로봇 제어
Soft realtime system
Best effort → 최대한 노력하지만 보장은 못한다
ex) 동영상 플레이어 재생 시 프레임이 찍히지 않으면 영상이 끊김
용어 정리
아래의 4개 용어들은 기본적으로 같은 의미이나, 조금씩 강조하는 바가 다르다
Multi-tasking
Multi-programming
memory에 여러 프로그램이 동시에 올라가 있음을 강조
Time sharing
CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
Multi-process
아래 용어는 아예 다른 의미이다
Multi-processor
하나의 컴퓨터에 CPU (processor)가 여러개 붙어있음을 의미
고성능 컴퓨팅, Cloud 컴퓨팅에서 다루는 문제
운영 체제의 예시
UNIX
코드의 대부분을 C 언어로 작성
운영체제가 하드웨어적 요소를 제어하려면 Assembly 언어로 작성해야 하는데, 그게 어려워서 사람이 이해하기에 편한 C 언어를 만듦
사람이 이해하기 편해짐
높은 이식성
C언어는 여러 아키텍처에서 호환이 되므로 높은 이식성을 갖는다
최소한의 Kernel 구조
복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
소스 코드 공개
프로그램 개발에 용이
다양한 버전
System V, FreeBSD, SunOS, Solaris
Linux
DOS (Disk Operating System)
MS사에서 1981년 IBM-PC를 위해 개발
단일 사용자용 운영체제
메모리 관리 능력에 한계가 있음 (주 기억장치: 640KB)
MS Windows
MS사의 다중 작업용 GUI 기반 운영 체제
Plug and Play
네트워크 환경 강화
DOS용 응용 프로그램과 호환성 제공
풍부한 지원 소프트웨어
운영 체제의 구조
프로세스 관리
프로세스 생성과 삭제
자원 할당 및 반환
프로세스 간 협력
그 외
보호 시스템
네트워킹
명령어 해석기 (command line interpreter)
프로세스
프로세스란?
실행중인 프로그램
CPU Queue
CPU를 쓰고자 하는 프로그램들을 줄 세워둔다
CPU Scheduling
여러 프로그램들이 CPU 사용을 하고자 CPU queue에서 기다릴 때, 어떤 순서로 queue에 있는 작업을 실행할지 정하는 것
→ 운영체제의 중요 역할 중 하나
FCFS (First-Come First-Served)
설명
요청이 들어온 순서대로 처리하는 방법
문제점
먼저 들어온 요청이 CPU를 오래 점유하면 그 뒤에 들어온 작업들의 average waiting time이 길어짐
SJF (Shortest-Job-First)
설명
CPU 사용시간이 가장 짧은 process를 제일 먼저 스케줄
Minimum average waiting time을 보장
문제점
Starvation (기아 현상) 발생 가능
Round Robin (RR)
현대에 가장 많이 사용하는 방법
각 process는 동일한 크기의 CPU 할당 시간을 갖는다
할당 시간이 끝나면 Interrupt 가 발생하여 process는 CPU를 빼앗기고 CPU queue의 제일 뒤에 줄을 선다
n개 process가 CPU queue에 있는 경우
어떤 process도
(n-1)*할당시간이상 기다리지 않는다전체 process n개 - 나 자신
장점
짧은 작업은 주어진 할당 시간에 빠르게 작업을 완료하면 되고, 긴 작업은 할당 시간동안 끝마치지 못한 작업을 다시 차례가 됐을 때 이어서 처리하면 된다
메모리 관리
Swap 영역
실행중인 process의 당장 필요한 공간은 memory에 올라가지만, memory의 공간적 한계로 다 올리지 못한 부분이 swap 영역에 올라간다
영속 가능한 디스크에 위치하지만, 전원이 나가면 더이상 쓸모 없는 데이터다
이미 해당 process는 실행중이 아니기 때문에
메모리에서 어떤 것을 쫓아낼까?
미래에 다시 사용될 가능성이 높은 페이지는 쫓아내지 말고, 가까운 미래에 사용될 가능성이 낮은 페이지를 쫓아내야 효율적으로 관리된다!
LRU (Least Recently Used)가장 오래 전에 참조된 페이지 삭제
LFU (Least Frequently Used)가장 적게 참조된 페이지 삭제
디스크 스케줄링
디스크의 접근 시간 중 가장 많은 시간을 차지하는게 디스크 헤드 이동 시간
→ 헤드 이동 거리를 줄일 수 있게 스케줄링을 해야한다
Seek time을 줄여야 한다!
→ 그러기 위해 디스크 스케줄링이 필요하다
FCFS (First-Come First-Served)
오래걸림 (비효율적)
SSTF (Shortest Seek Time First)
이동거리가 짧아 효율적
but, starvation 문제가 발생한다
SCAN
현재 디스크 스케줄링 방식
queue에 들어온 요청에 상관 없이 head는 이동한다
이동하면서 queue에 들어온 요청이 있으면 처리한다
→ 엘리베이터의 동작 방식과 유사!
저장장치 계층구조와 Caching
CPU는 기계어를 실행할 때 Register에 있는 값들로 실행한다
CPU와 memory 사이의 속도 차이를 극복하기 위해 Cache Memory를 둔다
현재는 Main Memory와 Magnetic Disk 사이에
Flash memory가 위치한다Primary
휘발성
CPU가 직접 접근 가능하다 (executable)
Secondary
비휘발성
CPU가 직접 접근할 수 없어서, Primary에 올려서 실행한다
속도 차이를 극복 (완충) 하기 위해 layered architecture를 갖는다
빠른 계층으로 복사를 해놓고, 복사본을 읽어가는 것이 바로
Caching이다!
Caching
copying information into faster storage system
누구를 쫓아낼 것인가!
Flash Memory
Flash Memory 란?
반도체 장치 (하드디스크: 마그네틱)
NAND형 (storage), NOR 형 (embeded code 저장용)
우리가 사용하는것 (저장장치 목적)은 모두 NAND 형!
Flash Memory 특징
Non-volatile
전원이 나가도 데이터가 유지가 된다
Low power consumption
하드디스크에 비해 전력 소모가 적다
Shock resistance
물리적 충격에 강하다
Small size
Lightweight
쓰기 횟수 제약
특정 횟수 이상 사용하면 더이상 쓰기를 할 수 없다
데이터가 시간이 흐름에 따라 변질될 수 있다
cell 안에 들어가있는 전하의 양으로 데이터를 읽는데, 전하가 시간이 흐름에 따라 cell에서 빠지게 된다
나중에는 읽히지 않게 될 수 있다
Flash Memory의 사용 형태
휴대폰, PDA 등 embeded system 구성용
USB용 memory stick
SD 카드
모바일 장치 뿐만 아니라 대용량 시스템에서 SSD (Solid State Drive) 란 이름으로 하드디스크 대체 시도
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