[운영체제] 운영체제의 구조 / 컴퓨터의 요소

이 글은 "면접을 위한 CS 전공지식 노트(주홍철 저)" 를 읽고 정리한 글 입니다.

면접을 위한 CS 전공지식 노트 - YES24

 

운영체제는 CPU 스케줄링, 프로세스 관리, 메모리 관리, 디스크 파일 관리, I/O 디바이스 관리 등의 역할을 수행한다. 

운영체제의 역할을 보면 주로 소프트웨어와 하드웨어를 이어주는 구름다리 역할을 하는 듯 하다.

그렇다면, 운영체제는 어떤 구조로 이루어져 있을까?

 

운영체제의 구조

운영체제의 구조

운영체제는 위와같이 사용자가 실제 사용하는 응용프로그램 밑에 GUI, 시스템 콜, 커널, 드라이버 순으로 이루어져 있다.

하나하나의 역할에 대해 좀 더 알아보자.

 

GUI (Graphical User Interface)

사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태이다.

명령어 창을 통한 컴퓨터의 제어가 아닌, 마우스 클릭 등 단순한 동작으로 컴퓨터를 제어할 수 있게 된다.

 

예를 들어, 어떤 파일을 삭제하기 위해 파일 아이콘을 드래그 해 휴지통에 넣는 과정처럼 GUI를 통해 드래그같은 단순한 동작으로 파일을 삭제할  수 있게 되는 것이다.

 

cf) CUI (Character User Interface)

GUI와는 반대로 CUI는 명령어를 통해 처리하는 인터페이스를 뜻한다.

 

 

커널

운영체제의 핵심부.

보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

책에서 운영체제에는 4가지 역할이 있다고 소개했었는데, 아마 그 역할들을 처리하는 로직(?)이 담겨있는 부분일 것이다.

System Call

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다. 최상단 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다. system call의 과정은 다음과 같다.

1. 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동.
2. 올바른 I/O 요청인지 확인
3. 유저 모드가 system call을 통해 커널 모드로 변환되어 실행 

예시) fs.readFile()이라는 I/O 요청을 실행하는 과정을 살펴보자.

1. 유저 프로그램에서 fs.readFile()을 사용함.
2. 시스템 콜에서 fs.readFile()이 올바른 요청인지 확인한다.
3. 시스템 콜이 fs.readFile() 실행을 위해 유저모드에서 커널모드로 변환시킨다.

위의 예시를 봤을 대 system call의 핵심은 유저모드 <-> 커널모드 의 변환인 듯 하다.

그렇다면, 유저모드와 커널모드의 차이는 무엇일까?

유저모드 vs 커널모드
둘의 차이점은 쉽게말해 접근영역의 차이 이다.

커널모드는 운영체제가 다룰 수 있는 모든 영역에 대한 접근을 할 수 있고,
유저모드는 보안을 위해 운영체제에 제한적 접근만 할 수 있다.

 

modebit

시스템콜이 작동할 때 modebit을 참고하여 유저모드와 커널모드를 구분

1 or 0의 값을 가지는 변수

 

카메라를 켜는 등의 행위가 유저모드에서 발생한다면 해킹범이 유저의 카메라에 쉽게 접근이 가능할 것이다.

이를 막기 위해 미리 modebit을 설정하는 것이다.

 

그렇다면, modebit의 동작과정은 어떻게 될까 ???

modebit의 동작과정

위의 그림을 볼 때 modebit은 유저프로그램 당 하나씩 붙어서 동작하는 것 같다.

유저프로그램이 유저모드이냐 커널모드이냐에 따라 modebit을 바꿔주고, 커널모드에 대한 동작을 수행하면 modebit을 다시 바꿔주는 듯 하다.

 

❓ 궁금한 점 : 그렇다면, modebit은 어디에 저장되는가? modebit은 유저프로그램당 하나씩 붙는다고 생각하는데, 내 생각이 맞을까?

만약에 맞다면, chrome은 하나의 유저프로그램인가? 한 사이트에서 카메라를 허용하면 다른사이트도 사용할 수 있나? 이런건 크롬에서 막아주나? 여담으로, 크롬의 카메라사용 요청주기는 얼마나될까? 시스템콜 요청 한번으로 무한으로 카메라를 킬 수 있나? 만약 그렇다면, 다른 exe 파일에서 카메라를 사용한다면 그건 좀 위험한거 아닌가?

 

 

컴퓨터의 요소

CPU

• CPU는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어있는 컴퓨터 장치를 말한다.
  • 산술논리연산장치 : 덧셈 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리연산을 계산하는 디지털 회로다.
  • 제어장치 : 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
  • 레지스터 : CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치이다. CPU는 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.
• CPU는 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석하고 실행하는 역할을 한다.

인터럽트

• 인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것
• I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0 나눗셈 오류 등으로 발생
• 인터럽트 발생 시 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨.
• 인터럽트 간 우선순위가 있다. 여러 인터럽트 발생 시 우선순위에 따라 처리됨.

인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 핸들링을 위한 함수.
인터럽트 핸들러 함수는 커널 내부의 IRQ(Interrupt Request)를 통해 호출, 및 등록이 가능하다.

 

인터럽트는 두가지로 나뉜다 : 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트

• 하드웨어 인터럽트 : IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트.
• 소프트웨어 인터럽트(트랩) : 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜 호출 시 발생.

DMA 컨트롤러

• I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어
• 많은 인터럽트 요청이 들어올 시 CPU의 부하를 줄여주기 위해 작동됨.

DMA (Direct Memory Access)
직접 메모리 접근. 
이 과정은 CPU가 직접 관리하지 않고 DMA 컨트롤러에게 일을 위임함.

이 외에 ..

메모리 : 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치. 보통 RAM을 뜻함.

타이머 : 특정 프로그램의 타임아웃을 정하는 역할

디바이스 컨트롤러 : 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU를 뜻함.