운영체제 - OS Overview

운영체제의 역할

★ User Interface (편리성)

• CUI (Character User Interface)
• GUI (Graphical User Interface)
• EUCI (End-User Comfortable Interface)

★ Resource management (효율성)

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

★ Process(실행주체) and Thread management

 

★ System management (시스템 보호)

컴퓨터 시스템의 구성

운영체제의 구분

★ 동시 사용자 수

• Single-user system
• Multi-user system

★ 동시 실행 프로세스 수

• Single-tasking system
• Multi-tasking system (Multiprogramming 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 간단함

• 개인용 장비(PC, moblie)등에 사용

✓ window 7/10, android, MS-DOS 등

 

★ 다중 사용자 (Multi-user system)

• 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용

✓ 각종 시스템 자원(파일 등)들에 대한 소유 권한 관리 필요

✓ 기본적으로 Multi-tasking 기능 필요

✓ os의 기능 및 구조가 복잡

• 서버, 클러스터(cluster) 장비 등에 사용

✓ Unix, Linux, Windows server 등

동시 실행 프로세스 수

★ 단일 작업 (Single-tasking system)

• 시스템 내에 하나의 작업(프로세스)만 존재

✓ 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른 프로그램의 실행

• 운영체제의 구조가 간단
• 예) MS-DOS

★ 다중 작업 (Multi-tasking system)

• 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능
• 운영체제의 기능 및 구조가 복잡
• 예) Unix/Linux, Windows 등

작업 수행 방식

★ Batch processing system

• 일괄처리 시스템

★ Time-sharing system

• 시분할 시스템

★ Distributed processing system

• 분산처리 시스템

★ Real-time system

• 실시간 시스템

순차 처리 (No OS, ~1940s)

★ 운영체제 개념 존재하지 않음

• 사용자가 기계어로 직접 프로그램 작성
• 컴퓨터에 필요한 모든 작업 프로그램에 포함

✓ 프로세서에는 명령어 저장 방법, 계산 대상, 결과 저장 위치와 방법, 출력 시점, 위치 등

 

★ 실행하는 작업 별 순차 처리

• 각각의 작업에 대한 준비 시간이 소요

Batch systems (1950s~1960s)

★ 모든 시스템을 중앙(전자계산소 등)에서 관리 및 운영

★ 사용자의 요청 작업(천공카드 등)을 일정 시간 모아 두었다가 한번에 처리

★ 시스템 지향적

★ 장점

• 많은 사용자가 시스템 자원 공유
• 처리 효율 향상

★ 단점

• 생산성 저하

✓ 같은 유형의 작업들이 모이기를 기다려야 함

• 긴 응답시간 (turnaround time)

✓ 약 6시간 (작업 제출에서 결과 출력까지의 시간)

 

Time Sharing Systems (1960s~1970s)

★ 여러 사용자가 자원을 동시에 사용

• os가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리

★ 사용자 지향적

• 대화형(conversational, interactive) 시스템
• 단말기(CRT terminal) 사용

★ 장점

• 응답시간 단축 (약 5초)
• 생산성 향상

✓ 프로세서 유휴 시간 감소

 

★ 단점

• 통신 비용 증가

✓ 통신선 비용, 보안 문제 등

• 개인 사용자 체감 속도 저하

✓ 동시 사용자 수 상승 → 시스템 부하 커짐 → 느려짐 (개인관점)

 

Personal Computing

★ 개인이 시스템 전체 독점

★ CPU 활용률(utilization)이 고려의 대상이 아님

★ OS가 상대적으로 단순함

✓ 하지만, 다양한 사용자 지원 기능 지원 (편하게)

★ 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 Systems

★ 네트워크를 기반으로 구축된 병렬처리 시스템 (Loosely-coupled system)

• 물리적인 분산, 통신망 이용한 상호 연결
• 각각 운영체제 탑재한 다수의 범용 시스템으로 구성
• 사용자는 분산운영체제를 통해 하나의 프로그램, 자원처럼 사용 가능 (은폐성, transparency)
• 각 구성 요소들간의 독립성유지, 공동작업 가능
• Cluster system, client-server system, P2P 등

★ 장점

• 자원 공유를 통한 높은 성능
• 고신뢰성, 높은 확장성

★ 단점

• 구축 및 관리가 어려움

Real-time Systems

★ 작업 처리에 제한 시간(deadline)을 갖는 시스템

• 제한 시간 내에 서비스를 제공하는 것이 자원 활용 효율보다 중요

★ 작업(task)의 종류

• Hard real-time task

✓ 시간 제약을 지키지 못하는 경우 시스템에 치명적 영향

• Soft real-time task

✓ 동영상 재생 등

• Non real-time task

운영체제의 구조

★ 커널 (Kernal)

• OS의 핵심 부분 (메모리 상주)

✓ 시스템 관리(processor, memory, Etc) 등

• 동의어

✓ 핵, 관리자 프로그램, 상주 프로그램, 제어 프로그램 등

 

★ 유틸리티 (Utility)

• 비상주 프로그램
• UI등 서비스 프로그램

단일 구조

★ 장점

• 커널 내 모듈 간 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

운영체제의 기능

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

Process Management

★ 프로세스 (Process)

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

★ OS의 프로세스 관리 기능

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

★ 프로세스 정보 관리

• PCB (Process Control Block)

Processor Management

★ 중앙 처리 장치 (CPU)

• 프로그램을 실행하는 핵심 자원

★ 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)

• 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 매핑
• 백업 등

I/O Management

★ 입출력(I/O) 과정

• OS를 반드시 거쳐야 함

Others

★ Disk

★ Networking

★ Security and Protection system

★ Command interpreter system

★ System call interface

• 응용 프로그램과 OS 사이의 인터페이스
• OS가 응용 프로그램에 제공하는 서비스

출처 : 한기대 goat 김덕수 교수님 

https://www.youtube.com/watch?v=nxl_cUd55Ag&list=PLBrGAFAIyf5rby7QylRc6JxU5lzQ9c4tN&index=2