개요
사용자와 하드웨어 사이의 중간 매개체
→ 응용프로그램의 실행 제어
→ 자원 할당 및 관리
→ 입출력 제어 및 데이터 관리
운영체제의 역할
- 하드웨어 및 사용자, 응용프로그램, 시스템 프로그램 사이의 인터페이스 제공
- 프로세서, 메모리, 입출력 장치, 통신 장치 등 컴퓨터 자원을 효과적으로 활용하기 위한 조정 및 관리
- 메일 전송, 파일 시스템 검사, 서버 작업 등 높은 수준의 서비스를 처리하는 응용프로그램 제어
- 다양한 사용자에게서 컴퓨터 시스템 보호를 위한 입출력 제어 및 데이터 관리
발전의 목적
- 편리성 - 사용자에게 편리한 환경 제공 (GUI 등)
- 효율성 - 시스템 성능 향상, 각 프로그램을 유기적으로 결합하여 시스템 전체 성능 향상
- 제어 서비스 향상 - 시스템 확장, 효율적 운영을 위해 새로운 기능의 효과적인 개발을 허용하는 방법으로 발전
발전 과정
- 1960년대 - 다중 프로그래밍 / 시분할 / 다중 처리 / 실시간 시스템
- 다중 프로그래밍: 여러 프로그램을 메모리에 나눠 적재한 후 프로세서를 작업 간에 번갈아 할당
- 시분할 시스템: 다중 프로그래밍 시스템 + 프로세서 스케줄링
- 다중 처리 시스템: 하나의 시스템에서 프로세서를 여러 개 사용해 처리능력 ↑
- 실시간 처리 시스템: 즉시 응답
- 1970년대 중반 ~ 1990년대 - 분산 처리 시스템, 병렬 계산과 분산 처리
- 1970년대: 명령어 중심의 시스템 사용
- 1980년대: 사용자에게 편리한 메뉴 지향적인 시스템
- 1990년대: GUI
- 데이터베이스 시스템의 중요성이 커짐
- 2000년대 이후 - 모바일 및 임베디드, 가상화 및 클라우드 컴퓨팅
- 모바일 기기 대중화
- 모바일 운영체제
- 사물 인터넷 (IoT)
운영체제의 유형
다중 프로그래밍
- 다른 작업 수행 시 입출력 작업이 불가능하여 프로세서와 메인 메모리의 활용도가 떨어지는 일괄 처리 시스템의 큰 문제를 다중 프로그래밍 도입으로 해결
- 프로세서가 항상 수행할 작업을 가지도록 하여 프로세서 사용률 극대화
- 많은 프로그램들이 동시에 프로세서를 할당 받는 듯한 느낌을 갖게 됨
- 운영체제가 복잡함
- 여러 작업을 준비 상태로 두려면 이를 메모리에 보관, 일정 형태의 메모리 관리가 필요
시분할 시스템
- 다중 프로그래밍을 논리적으로 확장한 개념으로 프로세서가 다중 작업을 교대로 수행
- 다수의 사용자가 동시에 컴퓨터의 자원을 공유할 수 있는 기술
- 장점: 빠른 응답 제공, 소프트웨어의 중복 회피 가능, 프로세서 유휴시간 감소
- 단점: 신뢰성 문제, 다수의 사용자가 접근하는 파일의 권한 부여 필요성, 사용자 프로그램과의 데이터의 무결성
다중처리 시스템
- 단일 컴퓨터 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서 사용으로 신뢰성과 가용성 증대
- 여러 프로세서와 시스템 버스, 클록, 메모리와 주변 장치 등을 공유
실시간 처리 시스템
- 데이터 처리 시스템으로 정의
- 항상 온라인 상태여야 함
- 보다 높은 적시 응답을 요구하는 장소에서 사용
- 데이터 흐름 또는 프로세서 연산에 엄격한 시간 요구가 있을 때 사용
- 고정 시간 제약을 잘 정의하지 않으면 시스템이 실패할 가능성이 큼
분산 처리 시스템
- 시스템마다 독립적인 운영체제와 메모리로 운영, 필요 시 통신
- 다수의 독립된 프로세서에서 실행
- 최근 컴퓨터 시스템의 대표적인 형태
- 데이터를 여러 위치에서 처리·저장하며, 이를 여러 사용자가 공유
기능
자원 관리
자원: 컴퓨터 시스템의 메모리, 프로세스, 장치, 파일 등 구성 요소
메인 메모리 관리
메인 메모리: 프로세서가 직접 주소로 지정할 수 있는 유일한 메모리
- 메모리의 어느 부분을 사용하고, 누가 사용하는지 점검
- 메모리에 저장할 프로세스를 결정
- 메모리를 할당하고 회수하는 방법을 결정
보조 기억 장치 관리
- 빈 여유 공간 관리
- 새로운 파일 작성 시 저장 장소 할당
- 메모리 접근 요청 스케줄링
- 파일 생성 및 삭제
프로세스 관리
프로세스
- 하나의 프로세스는 프로세서, 메모리, 파일, 입출력 장치와 같은 자원으로 구성
- 자원은 프로세스를 생성할 때 제공하거나 프로세스 실행 중에도 할당 가능함
시스템
- 프로세스의 집합 시스템 코드를 수행하는 운영체제 프로세스와 사용자 코드를 수행하는 사용자 프로세스로 구분됨
- 모든 프로세스는 프로세서를 분할하여 사용함으로써 병행 수행이 가능
- 프로세스와 스레드 스케줄링
- 사용자 프로세스와 시스템 프로세스 생성 및 제거
- 프로세서 중지, 재수행
- 프로세스 동기화 방법 제공
- 프로세스 통신 방법 제공
- 교착 상태 방지를 위한 방법 제공
주변 장치(입출력 장치) 관리
- 운영체제 - 특수 프로그램인 장치 드라이버를 사용하여 입출력 장치와 상호작용을 함
- 장치 드라이버 - 특정 하드웨어 장치와 통신할 수 있는 인터페이스를 제공하는, 특정 하드웨어에 종속된 프로그램
파일(데이터) 관리
입출력 파일의 위치, 저장, 검색 관리
컴퓨터 시스템
- 물리적으로 다양한 형태(자기 테이프나 자기 디스크 등)로 파일 저장 가능
운영체제
- 데이터의 효율적 사용을 위해 단일화된 정보 저장 형태를 제공
- 파일의 용이한 사용을 위해 보통 디렉터리로 구성
- 다수의 사용자가 여기에 접근하려고 할 때는 누가 어떤 방법으로 접근할 지를 제어
- 파일 생성과 삭제
- 디렉터리 생성과 삭제
- 보조 기억 장치에 있는 파일의 맵핑
- 안전한(비휘발성) 저장 매체에 파일을 저장
시스템 관리
시스템 보호(사용자 권한 부여)
- 컴퓨터 시스템에 의해 정의된 자원에 대해 프로그램, 프로세스, 사용자 접근을 제어하는 방법
- 운영체제 - 파일 사용 권한을 부여하거나, 데이터 암호화 등 서비스를 제공
- 컴퓨터 시스템 - 여러 프로세스를 동시에 실행할 수 있으므로 상호 보호해야 함
- 네트워크로 파일 공유 사이트에 접속 시 다른 사용자의 프로그램으로부터 보호되어야 함
네트워킹(통신)
- 다양한 방법으로 구성된 네트워크 이용, 완전 접속과 부분 접속 방법으로 다른 프로세서들과 연결
- 연결된 프로세서끼리 통신을 할 경우 경로 설정, 접속 정책, 보안 등의 문제를 고려해야 함 (운영체제가 관리)
명령 해석기
- Command Interpreter
- 운영체제를 위한 중요한 시스템 프로그램 중의 하나
- 대화형으로 입력한 명령어를 이해하고 실행하는 사용자와 운영체제의 인터페이스
- 사용자가 입력한 명령은 제어문으로 운영체제에 전달하는데, 이 전달을 명령 해석기가 담당
서비스
부팅 서비스
- 부팅: 운영체제를 메인 메모리에 적재하는 과정
- 부트 로더(Bootstrap Loader): ROM에 저장된 소규모 프로그램
- 하드디스크와 같은 보조 기억 장치에 저장된 운영체제를 메인 메모리에 적재
사용자 서비스
- 사용자 인터페이스 제공
- 명령 라인 인터페이스 (CLI)
- 메뉴 인터페이스
- 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)
- 프로그램 실행
- 프로그램을 메모리에 적재하여 실행
- 정상적, 비정상적으로 프로그램 실행을 종료
- 입출력 동작 수행
- 수행 중인 프로그램은 입출력을 요구할 수 있고, 이를 위해 파일이나 입출력장치가 필요
- 입출력 동작을 직접 수행할 수 없는 사용자 프로그램의 입출력 동작 방법 제공
- 파일 시스템 조작
- 디스크에 파일을 저장하면 특정 블록에 할당하여 저장
- 파일을 삭제하면 파일 이름이 제거되면서 할당한 블록이 자유롭게 됨
- 파일 시스템 조작 서비스 제공
- 사용자가 파일 관련 작업을 쉽게 할 수 있게 함
- 통신(네트워크)
- 동일한 컴퓨터에서 수행하는 프로세스 간의 정보 교환, 혹은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에서 수행하는 프로세스 간의 정보 교환에서 다중 작업 환경에서 공유 메모리를 이용하거나 메시지 전달을 통해 다양한 유형의 프로세스와 통신이 가능하도록 지원
- 오류 탐지
- 운영체제는 가능한 모든 오류를 탐지하고 시스템을 모니터링하여 조정함으로써 하드웨어 문제를 예방함
- 입출력 장치 관련 오류
- 메모리 오버플로우
- 하드디스크 불량 섹터 문제
- 부적당한 메모리 접근과 데이터 손상 등
시스템 서비스
- 사용자가 아닌 시스템 자체의 효율적인 동작 보장
- 여러 사용자가 사용하는 시스템에서 컴퓨터 자원을 공유하여 시스템 자체의 효율성을 높임
자원 할당
- 다수의 사용자나 다수의 작업에 동시에 실행될 때 자원을 각각 할당하도록 관리
- 프로세서 사이클, 메인 메모리, 파일 저장 장치 등은 특수한 할당 코드를 갖지만, 입출력 장치 등은 더 일반적인 요청과 해제 코드를 가질 수 있음
계정
- 운영체제는 각 사용자가 어떤 컴퓨터 자원을 얼마나 많이 사용하는지 파악하기 위해 계정 정보를 이용
- 사용 통계 정보는 사용자 서비스 개선을 위해 시스템을 재구성할 때 도움이 됨
보호와 보안
- 다중 사용자 컴퓨터 시스템에 저장된 정보 소유자의 사용을 제한할 수 있음
- 서로 관련이 없는 여러 작업을 동시에 수행할 때는 한 작업이 다른 작업이나 운영체제를 방해하지 못하게 해야 함
시스템 호출
- 실행 중인 프로그램과 운영체제 간의 인터페이스 (API)
- 사용자 프로그램은 시스템 호출을 통해 운영체제의 기능을 제공 받음
- 핵심 커널 서비스와 통신
- 새로운 프로세스의 생성과 실행
- 하드웨어 관련 서비스 등
호출 방법
- 프로그램에서 명령이나 서브루틴의 호출 형태로 호출
- 시스템에서 명령 해석기를 사용하여 대화 형태로 호출
- 프로세스 제어, 파일 조작, 장치 조작, 정보 관리, 통신
구조
점점 더 다양한 하드웨어와 소프트웨어를 지원하면서 구조가 복잡해지고, 복잡한 시스템은 설계/구현/테스트/유지 보수 등 모든 면에서 어렵기 때문에 이를 해결하기 위해 운영체제를 설계하는 다양한 방법이 등장
단일 구조 운영체제
Monolithic Structure, 초기에 생겨난 가장 보편적 형태로 모든 기능을 커널과 동일한 메모리 공간에 적재 후 시스템 호출만으로 사용하는 작고 간단하면서 시스템 기능이 제한된 구조
- 대부분의 기능을 커널에 그룹화해서 구현, 직접 통신 → 시스템 자원을 효율적으로 관리
- 커널 크기가 상대적으로 커지면서 버그의 원인이나 기타 오류 구분 어려움
- 새 기능을 추가하는 수정과 유지 보수 매우 어려움
- 동일한 메모리에서 실행하므로 한 부분에서 발생한 문제로 시스템 전체에 심각한 영향을 끼칠 수 있음
- 악성 코드로 피해를 입기 쉬움
계층 구조 운영체제
Layered Structure, 운영체제가 점점 커지고 복잡해지면서 순수 단일 구조만으로는 다루기가 어려워지는 문제점을 해결하기 위해 등장
- 비슷한 기능을 수행하는 요소를 그룹화하여 계층적으로 구성
- 사용자 프로세스의 요청을 수행할 때 한 계층에서 다음 계층으로 데이터를 전달할 때마다 추가적인 시스템 호출 발생
- 호출 한 번으로 서비스를 받는 단일 구조보다는 성능이 우수
- 단일 구조보다 모듈화가 잘 되어 있음
- 시스템 검증과 오류 수정이 단일 계층 구조에 비해 용이
- 특정 계층에서 오류를 발견해도 하위 계층은 오류를 수정했기 때문에 오류가 없다고 판단
- 시스템을 계층으로 나누어 시스템 설계나 구현이 단순해짐
- 각 계층은 자신의 하위 계층만 사용할 수 있으므로 신중하게 설계해야 함
마이크로커널 구조 운영체제
단일 커널의 문제점을 해결하기 위해 카네기멜론 대학에서 모듈화된 마이크로커널을 사용하여 매크(Mach)를 만듦
- 커널에는 최소 기능만 포함시켜 크기를 대폭 줄임
- 하드웨어 초기화, 메모리 관리, 프로세스 관리, 프로세스 간 통신, 프로세스 간 협력 동기화 기능 등 기본 기능만 커널에서 실행
- 네트워크 시스템, 파일 시스템 상호작용과 장치 관리 등 대부분의 운영체제 구성 요소는 커널 외부(사용자 영역의 서버)로 옮겨 구현
- 프로세스 간 통신 발생을 최소화시키는 것이 중요
- 응용프로그램과 서버 간에 자료 교환을 위해 커널을 출입하는 문맥 교환 때문에 속도가 느려짐
- 커널 내부에서 발생 지연이 적고 예측 가능하여 실시간 시스템에 주로 활용
- 대표적인 운영체제 중 마이크로커널 구조를 전적으로 채택한 것은 없지만, 모듈화된 구성 요소 개념은 많이 활용
