운영체제 개요

1. 운영체제 개요

• 개인용 컴퓨터 : 윈도우, 맥 OS
• 대형 컴퓨터 or 서버용 : 유닉스, 리눅스
• 스마트폰,태블릿 : 안드로이드, iOS
• 네비게이션, 스마트워치, 냉장고, 세탁기 : 임베디드 운영체제

컴퓨터는 운영체제가 없어도 동작하지만 운영체제가 없으면 처음 설계한 그대로만 동작하고 다른기능 추가 불가

ex.

유선전화기 - 통화기능만 있고 별다른 기능 X (운영체제 X)

스마트폰 - 애플리케이션 추가해 기능 추가 가능 (운영체제 O)

운영체제가 하는 일

1. 프로세스 관리

• 인터넷 브라우저 + 노래 듣기 + 게임 하기 → 전부 동시 실행
• 게임을 하고 있으면 키보드와 마우스는 게임에만 반응 & 다른 프로그램은 백그라운드에서 실행
• 만약 운영체제가 관리 X → 브라우저가 CPU를 독차지해서 게임 실행 불가 or 게임이 CPU독차지해서 노래 실행 불가

2. 메모리 관리

• 모든 프로그램은 메모리에 올라와서 동작
• 오늘날 운영체제는 여러 프로그램 동시 실행 → 여러 프로그램을 메모리에서 관리

3. 하드웨어 관리

• 사용자의 하드웨어에 대한 직접적인 접근 막음
• 우리가 하드 디스크에 데이터 저장할 때 하드디스크의 특정영역에 바로 저장하지 못하게 하고 운영체제가 판단하여 적절한 위치에 저장
• 하드디스크의 특정영역에 다른 중요한 데이터가 있을 수 있기 때문이거나 사용자의 악의적인 공격을 막기 위함

4. 파일시스템 관리

• 하드디스크에 많은 파일들의 효율적이게 저장하고 관리

2. 운영체제의 역사

📌 1940년

애니악

• 미군지휘 하 팬실베니아에서 개발된 컴퓨터
• 미사일 탄도계산 목표의 세계에서 가장 큰 스케일의 전자디지털 계산기
• 특정 명령에 맞는 스위치와 배선을 연결해서 프로그래밍 ( 종이에 작업 & 테스트 마치고 그대로 스위치와 배선 연결)
• 입출력을 위해 ibm 펀치 카드 사용 (입출력 속도 느리고 입출력 도중에는 계산 불가)
• 수많은 진공관을 공냉식으로 열을 식히지만 과열로 터지면 교체해야함.
• 하드웨어가 굉장히 비싸서 애니악 설계자들은 어떻게 cpu를 최대한 많이 사용할지 고민

📌 1950년 초

직접회로(IC) 개발

: 진공관과 전선으로 이루어진 논리회로를 아주 작은 크기로 제작 → 현대적인 컴퓨터 모습 갖추게 됨

• cpu와 메모리O 키보드와 모니터X(입력: 펀치카드 사용, 출력: 라인프린터)
• 기존의 스위치와 배선 작업을 하는 것 보다 훨씬 편해짐

📌 1950년 중후반

• 프로그래머 : 펀치카드로 프로그램 작성
• 오퍼레이터 : 컴퓨터에 카드를 넣고 결과 받아 프로그래머에게 전달

→오퍼레이터가 카드넣고 전달하는 과정이 너무 느림→오퍼레이터 오버헤드

싱글스트림 배치 시스템

: 프로그래머가 펀치카드를 가져오면 오퍼레이터는 여러개를 한 번에 컴퓨터에 전달하고 컴퓨터는 여러 개의 프로그램을 순서대로 실행해서 결과도 한번에 확인하도록 함.

• 작업이 끝나면 다른거 넣고 하는 이런 과정이 사라져서 cpu의 사용률이 올라감
• 입출력 중에도 cpu가 계산 가능하기 위해 I/O 디바이스 컨트롤러 등장

I/O 디바이스 컨트롤러

• 입출력 작업이 끝나면 cpu에게 인터럽트 신호 전달
• 인터럽트를 받은 cpu는 다시 처리
• 입출력 중에도 cpu가 계산 가능

한계

• 입력을 처리할 때 입력이 전부 완료되어야 하기 때문에 기다리게 되서 cpu 사용률이 떨어지게 됨.(출력은 X cpu에 종속적이지 않음)

📌 1960년도

시분할 시스템

• 메모리에 여러 프로그램 올려두고 시간을 나누어서 빠르게 돌아가며 실행 (매우 빨라 동시에 실행되는 것처럼 보임 )
• cpu가 A의 입력 기다릴 때 B와 C 작업을 하므로 cpu 사용률 증가
• 프로그램 동시 여러개 시행 → 여러 사용자가 한번에 사용 가능
• 비싼 컴퓨터 하나를 터미널이라는 단말기를 통해 여러 사용자들이 여러 터미널로 하나의 컴퓨터에 접근해 사용 → 각자 혼자 쓰고 있는 효과를 얻음
• 혼자 쓰는 것 같아서 컴퓨터에 개인이 필요한 문서나 개인 정보를 저장하기 시작 →파일시스템 등장

 

UNIX

• AT&T벨 연구소에서 C언어로 개발 된 유닉스 운영체제
• 멀티 프로그래밍(동시에 어려개 실행), 다중 사용자(여러사용자 지원), 파일 시스템 구현

멘붕의 시대

• 메모리에 여러 프로그램이 올라와서 실행 → 메모리 침범 이슈 & 자기의 메모리 위치를 모름
• 베이스 레지스터 : 프로그램의 시작 주소 저장 한 뒤 모든 프로그램은 0번지에서 시작한다고 가정
• 이러한 CPU의 사용률과 효율성 → 하나의 학문으로 자리잡음

📌 1970년대 이후

• 개인용 컴퓨터의 시대 , 저렴해짐
• 애플의 매킨도시, 마이크로소프트의 ms-dos

CPU 사용량과 비용절감의 노력 → 운영체제 탄생

3. 운영체제의 구조

폰노이만 구조

• 오늘날 대부분 컴퓨터 : 프로그램 내장방식(폰노이만 구조)
• cpu와 메모리를 두고 그 사이에는 버스를 둠
• 프로그램을 메모리에 올려서 실행(프로그램을 메모리에 내장)
• 메모리에 올라간 프로그램은 명령에 따라 처리
• 배선을 바꾸는 대신 소프트웨어만 바꿔주면 됨

하드웨어

메인보드 : 다른 하드웨어를 연결하는 장치

메인보드의 버스 : 장치간에 데이터 전달

폰노이만 구조 → 메모리와 CPU 필수적

• CPU와 메모리를 메인보드에 꽂아줌
• 하드디스크 연결단자 - 하드디스크
• 그래픽 카드 연결단자 - 그래픽 카드
• 출력단자 - 모니터선
• usb단자 - 마우스와 키보드
• 사운드 단자 - 스피커

CPU (Central Processing Unit)

: 중앙처리장치

 

cpu 구성요소

• 산술논리 연산 장치 (Arithmetic and Logic Unit, ALU)
  • 실제로 데이터 연산 담당
• 제어 장치
  • 모든장치들의 동작을 지시하고 제어하는 장치
• 레지스터
  • cpu내에서 계산을 위해 임시로 보관하는 장치 ,변수.

메모리 종류

• RAM
  • 랜덤으로 데이터를 읽어도 저장된 위치와 상관없이 읽는 속도 같음
  • 전력이 끊기면 데이터를 잃어버림 →메인메모리
• ROM
  • 전력이 끊겨도 데이터 계속 보관 가능
  • 데이터를 한번 쓰면 수정 불가
  • 컴퓨터의 부팅과 관련된 바이오스를 저장하는데 쓰임

4. 부팅과정

1. 컴퓨터 전원킴
2. ROM에 저장된 바이오스 실행
3. 바이오스는 주요 하드웨어에 이상없는지 확인
4. 이상이 있으면 오류음을 내면서 부팅 X
5. 이상이 없으면 하드디스크에 있는 마스터 부트 레코드에 저장 된 부트로더를 메모리로 가져와서 실행
6. 운영체제를 선택하는 화면 나옴
7. 운영체제 선택하거나 운영체제가 하나면 바로 운영체제를 메모리로 불러오고 모니터에 이렇게 바탕화면이 보이게 됨

이제부터 실행되는 모든 응용 프로그램은 메모리에 올라와서 운영체제가 관리

5. 인터럽트

cpu가 입출력 장치에 데이터를 읽거나 쓰려고 하는 상황

cpu는 입출력 작업이 들어오면 입출력 관리자에게 입출력 명령을 내림

폴링 방식 : cpu가 입출력 명령이 언제 완료될지 주기적으로 확인 →성능 bad

 

인터럽트 방식

• 입출력이 완료되면 입출력 관리자가 cpu 에게 신호를 줌
• cpu는 그 신호를 받아 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 실행하여 작업 완료
• 폴링 방식 단점 해결
• cpu가 입출력 관리자에게 명령을 내리고 자기는 다른 작업 계속

인터럽트 서비스 루틴(ISR)

• 특정 인터럽트가 들어오면 그 인터럽트를 처리하는 함수
• 비동기적으로 동작하므로 성능에 이점
• 하드웨어 방식 : 입출력 등과 같은 인터럽트
• 소프트웨어 방식 : 사용자 프로그램에서 발생한 인터럽트 (ex. 유효하지않은 메모리 접근, 0으로 나누는 명령어)