운영체제 2. 운영체제 overview

1. 운영체제의 역할

1) User Interface(편리성)

• CUI(Character user interface)
• GUI(Graphical User interface)
• EUCI(End-User comfortable Interface)

2) Resource management(효율성)

• HW Resource(processor, memory, I/O devices, Etc.)
• SW Resource(file, application, message, signal, Etc.)

3) Process and Thread management

4) System management(시스템 보호)

컴퓨터 시스템의 구성

• 커널이 운영체제의 핵심
• 운영체제는 하드위에 위층에 있음
• 유저는 system call Interface를 통해 운영체제와 교류
  

  2. 운영체제의 구분

  1) 동시 사용자 수

• Single-user system
• multi-user system

  2) 동시 실행 프로세스 수

• single-tasking system
• multi-tsaking system(Multiprogramming system)

  3) 작업 수행 방식(사용자가 느끼는 사용 환경)

• Batch processing system
• Time-sharing system
• Distributed processing system
• Real-time system

<동시 사용자 수>

단일 사용자(single-user system)

-한 명의 사용자만 시스템 사용 가능

• 한 명의 사용자가 모든 시스템 자원 독점
• 자원관리 및 시스템 보호 방식이 간단
  • 개인용 장비(PC, mobile)등에 사용
• Windows, android, MS-DOS 등

다중 사용자

• 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용
  • 각종 시스템 자원(파일 등)에 대한 소유 권한 관리 필요
  • 기본적으로 multi-tasking 기능 필요
  • OS 기능 및 구조가 복잡
• 서버, 클러스터(cluster)장비 등에 사용
  • Unix, Linux, Windows server 등

<동시 실행 프로세스 수>

단일작업(Single-tasking system)

• 시스템 내에 하나의 작업(프로세스)만 존재
  • 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른 프로그램의 실행
  • 운영체제 구조 간단
  • 예) MS-DOS

    다중작업(Multi-tasking system)

• 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능
  • 작업들 사이의 동시 수행, 동기화 등을 관리해야 함
• 운영체제의 기능 및 구조가 복잡
• 예) Unix/Linux, Windows 등

<작업 수행 방식>

• Batch processing system(일괄 처리 시스템)
• Time-sharing system(시분할 시스템)
• Distributed processing system(분산 처리 시스템)
• Real-time system(실시간 시스템)

아주 옛날 os가 없던 시절에는 순차 처리 사용했다(~1940s)

• 운영체제 개념 x
• 사용자가 기계어로 직접 프로그램 작성
• 각 작업을 순차적으로 처리함
• 단점: 각 작업에 대한 준비 시간 소요
• 예를 들어 (정말 예일 뿐임) 1번 작업은 java면 java를 위한 준비를 해야됨.
  
  그 후 python작업이 2번이면 이것에 대한 작업을 또 해야됨.
• 이런 단점을 보안하고자 나온 것이 batch system

Batch processing system(일괄 처리 시스템, 1950s~1960s)

• 모든 시스템을 중앙(전사계산소 등)에서 관리 및 운영
• 사용자의 요청 작업(천공카드 등)을 일정 시간 모아 두었다가 한번에 처리
• 시스템 지향적(systme-oriented, 시스템에게 유리한, 유저에게 불리한)
• 장점
  • 많은 사용자가 시스템 자원 공유
  • 처리 효율(throughput)향상
• 단점
  • 생산성(productivity) 저하
    • 같은 유형의 작업들이 모이기를 기다려야 함
  • 긴 응답시간(turnaround time)
    • 약 6시간(작업 제출에서 결과 출력까지의 시간)
      

      Time-sharing system(시분할 시스템, 1960s~1970s)

• 여러 사용자가 자원을 동시에 사용
  • OS가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리
• 사용자 지향적(User-oriented)
  • 대화형(conversational, interacitve) 시스템 (사용자 입장에서 그렇게 느낌)
  • 단말기(CRT terminal) 사용
• 장점
  • 응답시간 단축(약 5초)
  • 생산성(productivity) 향상
    • 프로세서 유휴 시간 감소
• 단점
  • 통신 비용 증가
    • 통신선 비용, 보안 문제 등
  • 개인 사용자 체감 속도 저하
    • 동시 사용자수 증가 -> 시스템 부하 증가 -> 느려짐 (개인관점에서)
      

      Personal Computing

• 개인이 시스템 전체 독점
• CPU 활용률이 더이상 고려의 대상이 아님(원래는 최대한 컴퓨터를 놀지 않고 일시키는 게 주 관심사였음)
• os가 상대적으로 단순(하지만 다양한 편리한 기능 지원)
• 장점
  • 빠른 응답시간
• 단점
  • 성능이 낮음

Parallel Processing System

• 단일 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서 사용
  • 동시에 둘 이상의 프로세스 지원
• 메모리 등의 자원 공유(Tightly-coupled system)
• 사용 목적
  • 성능 향상
  • 신뢰성 향상(하나가 고장나도 정상 동작 가능)
• 프로세서간 관계 및 역할 관리 필요
  

  Distributed processing system(분산 처리 시스템)

• 네트워크를 기반으로 구축된 병렬처리 시스템(Loosely-coupled system)
  • 물리적인 분산, 통신망 이용한 상호 연결
  • 각각 컴퓨터를 노드라고 부름
  • 각각 운영체제 탑재한 다수의 범용 시스템으로 구성
  • 사용자는 분산운영체제를 통해 하나의 프로그램, 자원처럼 사용 가능(은폐성, transparency)
  • 각 구성요소들간의 독립성 유지, 공동작업 가능
  • cluster system, client-server system, P2P 등
• 장점
  • 자원 공유를 통한 높은 성능
  • 고신뢰성, 높은 확정성
• 단점
  • 구축 및 관리가 어려움
    

    Real-time system(실시간 시스템)

• 작업 처리에 dealine을 갖는 시스템
  • 제한 시간 내에 서비스를 제공하는 것이 자원 활용 효율보다 중요
• 작업 종류
  • Hard real-time task
    • 늦으면 큰일나는 거.
    • 예, 발전소 제어, 무기 제어
  • Soft real-time task
    • 동영상 재생
  • Non real-time task

3. 운영체제의 구조

1) 커널과 유틸리티

커널(Kernel)

• OS의 핵심 부분(메모리 상주, 계속 사용되므로 메모리에 항상 올라가있다는 의미)
  • 가장 빈번하게 사용되는 기능들 담당
    • 시스템 관리(processor, memory, Etc)

유틸리티(Utility)

• 비상주 프로그램
• UI등 서비스 프로그램
  

2) 구조

단일 구조

• 장점
  • 커널 내 모듈간 직접 통신
    • 효율적 자원 관리 및 사용
• 단점
  • 커널의 거대화
    • 오류 및 버그, 추가 기능 구현 등 유지보수가 어려움
    • 동일 메모리에 모든 기능이 있어, 한 모듈의 문제가 전체 시스템에 영향(예, 악성 코드 등)
      

      계층 구조

• 장점
  • 모듈화
    • 계층간 검증 및 수정 용이
  • 설계 및 구현의 단순화
• 단점
  • 단일구조 대비 성능 저하
    • 원하는 기능 수행을 위해 여러 계층을 거쳐야 함.
      

마이크로 커널 구조

• 커널의 크기 최소화
  • 필수 기능만 포함
  • 기타 기능은 사용자 영역에서 수행
    

    4. 운영체제의 기능

    요약

• 프로세스 관리
• 프로세서 관리
• 메모리 관리
• 파일 관리
• 입출력 관리
• 보조 기억 장치 및 기타 주변장치 관리

Process Management

프로세스란?

• 커널에 등록된 실행 단위(실행 중인 프로그램)
• 사용자 요청/프로그램의 수행 주체(entity)

  OS의 프로세스 관리 기능들

• 생성/삭제, 상태관리
• 자원 할당
• 프로세스 간 통신 및 동기화(synchronization)
• 교착상태(deadlock) 해결

  프로세스 정보 관리

• PCB (Process Control Bloc)

processor Management

프로세서란?

• 중앙 처리 장치(CPU)
  • 프로그램을 실행하는 핵심 자원
• 큰 그림에서는 프로세서=cpu라고 이해해도 크게 문제 되진 않음

  프로세스 스케줄링

• 시스템 내의 프로세스 처리 순서 결정

  프로세서 할당 관리

• 프로세스들에 대한 프로세서 할당
  • 한 번에 하나의 프로세스만 사용 가능

Memory Management

주기억장치

• 작업을 위한 프로그램 및 데이터를 올려 놓는 공간

  Multi-user, Multi-tasking 시스템

• 프로세스에 대한 메모리 할당 및 회수

• 메모리 여유 공간 관리

• 각 프로세스의 할당 메모리 영역 접근 보호

  메모리 할당 방법(scheme)

  (뒷 강의에서 다룰 예정)

• 전체 적재

  • 장점: 구현이 간단
  • 단점: 제한적 공간

• 일부 적재(virtual memory concept)

  • 프로그램 및 데이터의 일부만 적재
  • 장점: 메모리의 효율적 활용
  • 단점: 보조기억 장치 접근 필요

  File Management

  -파일: 논리적 데이터 저장 단위

  • 사용자 및 시스템의 파일 관리
  • 디렉토리 구조 지원
  • 파일 관리 기능
    • 파일 및 디렉토리 생성/삭제
    • 파일 접근 및 조작
    • 파일을 물리적 저장 공간으로 사상(mapping)
    • 백업 등

I/O Management

• 입출력(I/O) 과정
  • OS를 만드시 거쳐야 함
    

Others

• Disk 관리
• networking 관리
• Security and Protection System관리
• Command interpreter system관리
• System call interface관리
  • 응용 프로개름과 os 사이의 인터페이스
  • os가 응용프로그램에 제공하는 서비스