[OS] 운영체제 개요

운영체제 개요

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) - SW resource (file, application, message, signal) - Process 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)
• 작업 수행 방식
  • Batch Processing system
  • Time-sharing system
  • Distributed processing system
  • Real-time system

동시 사용자 수

• Single-user system
  • 한 명의 사용자만 시스템 사용 가능
    • 한 명의 사용자가 모든 시스템 자원 독점
    • 자원 관리 및 시스템 보호 방식이 간단함
  • 개인용 장비(PC, mobile) 등에 사용
• Multi-user system
  • 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용
    • 각종 시스템 자원들에 대한 소유 권한 관리 필요
    • 기본적으로 Multi-tasking 기능 필요
    • os의 기능 및 구조가 복잡
  • 서버, 클러스터 장비 등에 사용
    • Unix, Linux, Windows server 등

동시 실행 프로세서 수

• 단일 작업 (Single-tasking system)
  • 시스템 내에 하나의 작업만 존재
    • 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤에 다른프로그램의 실행
  • 운영체제의 구조가 간단
  • MS-DOS
• 다중 작업 (Multi-tasking system)
  • 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능
    • 작업들 사이의 동시 수행, 동기화 등을 관리해야 함
  • 운영체제의 기능 및 구조가 복잡
  • 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 System(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(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(1960s~1970s)

• 여러 사용자가 자원을 동시에 사용

  • os가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리

• 사용자 지향적

  • 대화형 시스템
  • 단말기 사용
    
    

• 장점

  • 응답시간(response time) 단축
  • 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(개인관점)

Personal Computing

• 개인이 시스템 전체 독점
• CPU 활용률(utilization)이 고려의 대상이 아님
• OS가 상대적으로 단순함
  • 다양한 사용자 지원 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
• 사용 목적
  • 성능 향상
  • 신뢰성 향상 (하나가 고장나도 정상 동작 가능)
• 프로세서 간 관계 및 역할 관리 필요
  

Distributed Processing System

• 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 프록르ㅐㅁ, 자원처럼 사용 가능(은폐성, transparency)
• 각 구성 요소들간의 독립성유지, 공동 작업 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
• 작업의 종류
  • Hard real-time task
    • 시간 제약을 지키지 못하는 경우 시스템에 치명적 영향
    • 예) 발전소 제어, 무기 제어 등
  • Soft real-time task
    • 동영상 재생 등
  • Non real-time task

운영체제의 구조

• 커널(Kernel)

  • OS의 핵심 부분(메모리 상주)
    • 가장 빈번하게 사용되는 기능들 담당
    • 시스템 관리(processor, memory) 등
  • 동의어
    • 핵, 관리자 프로그램, 상주 프로그램, 제어 프로그램 등

• 유틸리티(Utility)

  • 비상주 프로그램
  • UI등 서비스 프로그램

• Major functions of Kernel

  • Resource Mgmt
    • Hardware resource management
      • Processor, memory, I/O devices, etc.
    • software resource management
      • files, messages, processes, etc.

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 : 악성코드)

마이크로 커널 구조

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

운영체제의 기능

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(synchronization)
  • 교착 상태(deadlock) 해결
• 프로세스 정보 관리
  • PCB(Process Control Block)

Processor Management

• 중앙 처리 장치 (CPU)
  • 프로그램을 실행하는 핵심 자원
• 프로세스 스케줄링 (Scheduling)
  • 시스템 내의 프로세스 처리 순서 결정
• 프로세서 할당 관리
  • 프로세서들에 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 여유공간 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(directory) 구조 지원
• 파일 관리 기능
  • 파일 및 디렉토리 생성/삭제
  • 파일 접근 및 조작
  • 파일을 물리적 저장 곤간으로 사상(mapping)
  • 백업 등

I/O Management

• 입출력(I/O) 과정
  • os를 반드시 거쳐야 함