What is an OS

Reference: 이화여대 운영체제 강의 - 반효경 교수님

운영체제란?

• 사용자가 하드웨어를 몰라도 컴퓨터 시스템을 편하게 사용할 수 있는 환경을 제공한다

• 컴퓨터 시스템의 한정된 자원 (CPU, Memory, I/O)를으로 최대한의 성능을 내도록 효율적으로 관리한다

  • ex)

    • 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 계층

  • 좁은 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 않고 당장 실행할 수 있는 작업을 찾아 해당 작업을 실행한다

      • I/O 컨트롤러는 작업이 완료 됐음을 Interrupt 를 통해 CPU에게 알린다

        • CPU는 매 작업이 끝난 후 Interrupt check 를 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 판단 하는 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

    → 소스코드 공개되어있고, 이걸 기반으로 발전하고 잇음

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

    → 형평성 좋음

• 문제점

  • 먼저 들어온 요청이 CPU를 오래 점유하면 그 뒤에 들어온 작업들의 average waiting time이 길어짐

    → 효율성 좋지 않음

SJF (Shortest-Job-First)

• 설명

  • CPU 사용시간이 가장 짧은 process를 제일 먼저 스케줄

  • Minimum average waiting time을 보장

    → 효율성은 좋음

• 문제점

  • Starvation (기아 현상) 발생 가능

    → 형평성 문제

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)*할당시간 이상 기다리지 않는다

    • 전체 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

    → 대기 시간이 process의 CPU 사용시간에 비례한다

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 위치한다

• Primary

  • 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