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[OS] 운영체제 구조

September 29, 2021

운영체제 구조

운영체제 서비스

개요

  • 운영체제는 사용자(or 프로그램)에게 프로그램의 실행 환경을 제공한다.

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  • user interfaces
    • 사용자 인터페이스
    • GUI, batch파일, command line 모두 user interface에 해당된다.
  • system calls
    • 운영체제의 커널모드로 동작하는 중개자(관리자)역할을 수행한다.
  • services
    • 프로그램 개발과 실행에 대해 편리한 환경을 제공한다.


운영체제 서비스: 사용자 업무 서비스

개요

  • 사용자 업무를 수행하는 데 필요한 기능을 제공하는 운영체제 서비스에 대해 설명하도록 하겠다.


사용자 인터페이스

  • 명령어 라인 인터페이스 (CLI: Command Line Interface)
  • 배치 인터페이스
  • GUI


프로그램 실행

  • Program Execute
  • 프로그램을 메모리에 적재, 실행, 실행 종료하는 서비스이다.


입출력 연산

  • 프로그램 실행에서 요구하는 파일 또는 입출력 장치 등의 입출력 서비스이다.


파일 시스템

  • 파일 조작, 관리를 수행하는 서비스이다.


통신

  • 동일한 컴퓨터 또는 네트워크로 연결된 컴퓨터에 있는 프로세스 간 정보 교환을 수행한다.
  • 통신 기법
    • 메시지 전달 기법
      • 운영체제(Kernel)이 관여한다.

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    • 공유 메모리 기법
      • 공유 메모리 기법 == 생산자/소비자 모델
      • 버퍼 관리를 잘 해주어야 한다.

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오류 탐지

  • 운영체제는 가능한 모든 오류를 인지하고 있어야 한다.

하지만, 모든 오류를 인지하기란 어렵다.



운영체제 서비스: 시스템 자원 서비스

개요

  • 시스템의 자원을 공유하여 시스템의 효율적인 운영을 보장하는 서비스


자원 할당

  • 다수의 사용자나 다수의 작업들이 동시에 실행될 때 각각에 자원을 할당해주는 서비스이다.
  • 자원의 종류
    • CPU cycles
    • main memory
    • file storage
    • I/O devices


회계

  • 어떤 사용자가 어떤 자원을 얼마나 사용하는지 기록하고 관리하는 서비스이다.


보호와 보안

  • 보호
    • 시스템 자원에 대한 모든 접근이 통제되도록 보장하는 서비스이다.
    • 즉, 파일에 대한 접근 권한 권리를 뜻한다.
  • 보안
    • 외부로부터 시스템 보안을 유지하기 위해 사용자 인증, 부적합한 접근 방지 등을 수행하는 서비스이다.



사용자 인터페이스

사용자 인터페이스 종류

  • 명령어 라인 인터페이스 (CLI: Command Line Interface)
  • 배치 인터페이스
  • GUI


Command Line Interface (CLI)

  • CLI나 명령어 해석기를 통해 명령어를 직접 입력한다.
  • CLI는 커널이나 시스템 프로그램으로 구현된다.
  • 선택 가능한 여러 개의 명령어 해석기를 제공한다.
    • ex) 리눅스의 본쉘, c쉘 등
  • 명령어 해석기
    • 역할
      • 사용자의 명령어를 가져와 실행한다.
    • 명령어 해석기의 종류
      • 명령어 해석기가 명령어 코드를 포함하는 경우
        • 이때, 명령어의 개수가 명령어 해석기의 크기를 결정한다.

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      • 명령어 해석기가 명령어 목록만 가지고 있는 경우
        • 명령어 해석기의 크기가 작아진다.

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GUI

  • 사용자 친화적인 상징 인터페이스이다.
  • 많은 시스템들이 CLI와 GUI 인터페이스를 모두 지원한다.
    • Microsoft Windows
      • CLI 명령어 셸을 가지고 있는 GUI이다.
    • Apple Mac OS
      • UNIX 커널과 셸을 가지고 있는 Aqua GUI이다.
    • Unix, Linux
      • 선택적인 GUI를 가진 CLI이다.



시스템 콜

시스템 콜이란?

  • 시스템 콜은 ‘운영체제가 제공하는 서비스에 대한 인터페이스’를 사용자에게 제공한다.
  • 일반적으로 고급 언어 (c , c++)로 작성된 루틴 형태로 제공된다.
  • 대부분의 경우, ‘직접적인 시스템 콜 사용’ 대신 ‘API(Application Program Interface)’를 통해 접근한다.
    • 사용자 프로그램이 운영체제가 제공하는 서비스에 접근하고자 한다. ⇒ 이때, API를 사용한다. ⇒ API를 통해, 시스템 콜을 요청하여 운영체제 서비스의 기능을 수행하도록 할 수 있다.

    이때 API는 시스템 콜을 사용할 수 있도록 하는 API를 뜻한다.

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시스템 콜 API의 대표 종류

  • Windows
    • Win32 API
  • UNIX, LINUX, Mac OS
    • POSIX API
  • Java Virtual Machine
    • Java API

POSIX: Portable Operating System Interface (이식 가능 운영체제 인터페이스)


시스템 콜 예시

아래 그림은 cp in.txt out.txt 명령(파일 복사 명령어)에 대한 시스템 콜 API 호출 순서에 대한 예시이다.

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시스템 콜 구현

  • 각 시스템 콜에 대해, 숫자(index)가 부여된다.
  • 시스템 콜 인터페이스가 ‘시스템 콜 테이블’을 관리한다.
  • 시스템 콜 인터페이스
    • 운영체제 커널 내에 있는 요청된 시스템 콜을 요청한다.
    • 시스템 콜의 반환 상태와 해당 반환 값을 반환한다.

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시스템 콜 특징

  • 개발자는 시스템 콜이 어떻게 구현되는지 알 필요가 없다.
    • 개발자는 API를 제대로 사용하고, 운영체제가 시스템 콜의 결과로 무슨 일을 하는지만 알면 된다.
    • 운영체제 인터페이스의 구현부는 API에 의해 숨겨진다.


시스템 콜 유형(종류)

  • 프로세서 제어
  • 파일 관리
  • 장치 관리
  • 정보 관리
  • 통신
  • 보호



시스템 콜에 파라미터 전달하기

운영체제에 매개변수를 전달하는 방법의 종류

  • 매개변수를 레지스터에 전달하는 방법
  • 매개변수를 메모리의 블럭, 테이블에 저장하는 방법
  • 프로그램이 매개변수를 스택에 넣는 방법


매개변수를 레지스터에 전달하기

  • 가장 단순한 방법이다.
  • 하지만, 레지스터 개수보다 더 많은 매개변수가 있는 경우, 한계가 있다.


매개변수를 메모리의 블럭, 테이블에 저장하는 방법

  • 블럭의 메모리 주소가 레지스터에 매개변수로 전달된다.

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프로그램이 매개변수를 스택에 넣는 방법

  • 운영체제가 스택으로부터 매개변수를 꺼낸다.
  • 위에서 설명한 블럭 방식과 스택 방식은 매개변수의 개수나 길이에 제약을 받지 않는다.



시스템 프로그램

시스템 프로그램이란?

  • 시스템 프로그램은 프로그램 개발과 실행에 편리한 환경을 제공한다.
  • 운영체제에 대한 대부분 사용자의 인식은 시스템 콜보다는 시스템 프로그램에 의해 결정된다.

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시스템 프로그램의 종류

  • 파일 관리
  • 상태 정보
  • 프로그래밍 언어 지원
  • 프로그램 적재와 실행
  • 통신
  • 백그라운드 서비스
    • 부팅시 살아나는 서비스
    • 백그라운드 서비스의 종류
      • 시스템 시작시 실행됐다가 다시 종료되는 서비스
      • 시스템 시작해서 종료시까지 살아있는 서비스



운영체제 설계 및 구현

개요

  • 정형화된 해결책은 존재하지 않는다. 하지만 성공적인 접근 방법들이 존재한다.
  • 운영체제 별로 내부 구조는 매우 다르다.
  • 운영체제 설계 내용은 하드웨어와 시스템 타입에 따라 달라진다.


정책과 기법

  • 중요한 원칙
    • ‘정책’과 ‘메커니즘’의 분리가 필수이다.
    • 정책
      • 무엇을 할 것인가?
    • 기법
      • 어떻게 할 것인가?
  • 정책과 기법을 분리해야한다.
    • 그래야 나중에 정책이 변경될 때 최대한의 융통성이 생긴다.
    • 예시
      • 기법: CPU를 계속 점유하는 것을 방지하기 위해 Timer 사용한다.
      • 정책: 특정 사용자에게 타이머를 얼마나 오랫동안 설정할 것인지 결정한다.


구현

  • 다양성
    • 초기: 어셈블리어
    • 현재: C, C++ 사용
  • 언어 혼합 사용
    • 하위 수준: 어셈블리어
    • 중요 부분: C
    • 시스템 프로그램: C, C++, PERL, Python과 같은 스크립트 언어



운영체제 구조

개요

  • 범용 운영체제는 매우 큰 프로그램이다.
  • 다양한 방법으로 운영체제의 구성을 할 수 있다.


MS-DOS

  • 최소의 공간에 최대의 기능을 제공하도록 작성되어있다.
  • 특징
    • 모듈로 제대로 분할되지 않았다.
    • 인터페이스와 기능 계층이 잘 분리되지 않았다.

BIOS: Basic Input/Output System
UEFI: Unified Extensible Firmware Interface (BIOS 대체제)


UNIX

  • UNIX는 아래 두 가지 부분으로 분리되어있다.
    • 시스템 프로그램
    • 커널 (Kernel)
  • 특징
    • 단순하지도 않지만 계층 구조도 없는 형태이다. (초기 UNIX)


계층적 접근

  • 운영체제는 여러 갱의 계층으로 구분된다.
  • 각 계층은 하위 계층 위에 만들어진다.
  • 최하위 계층: 하드웨어
  • 최상위 계층: 사용자 인터페이스

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마이크로 커널 시스템 구조

  • 커널이 커져서 관리가 어려워졌다.
    • 따라서, ‘가능한 많은 기능’을 커널에서 사용자 공간으로 옮겨 커널을 최소화한다.
  • 사용자 모듈 간의 통신은 message passing을 사용한다.
  • Mach : 첫 마이크로 커널
  • 장점
    • 마이크로커널은 확장하기 좋다.
    • 새로운 하드웨어에 이식이 쉽다.
    • 신뢰성 향상 (커널 모드가 작다.)
    • 보안성 향상
  • 단점
    • 사용자와 커널 간의 통신으로 인한 성능 오버헤드 발생(지연)

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모듈

  • 대부분의 현대 운영체제 시스템은 적재 가능한 모듈로 구현된다.
    • 핵심(core)커널이 다른 모듈의 기능을 필요로 할 때, 해당 모듈과 연결하여 기능을 사용한다.

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  • LKM: Loadable Kernel Modules
  • 모듈은 객체 지향 기법이다.



하이브리드 시스템

개요

  • 대부분의 현대 운영체제는 오직 한가지 모델만을 사용하지 않는다.
  • Linux, Solaris의 커널은 단일구조이지만, 함수의 동적 적재는 모듈화 기법을 사용한다.
  • 윈도우도 대부분이 단일구조이지만, 다른 서브시스템의 특징에 따라 마이크로커널을 채택한다.


Mac OS 구조

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운영체제 디버깅

  • 운영체제는 오류 정보를 포함하는 log file을 생성한다.
  • 애플리케이션이 죽으면 프로세스의 메모리를 캡처한 코어 덤프를 생성한다.
  • 운영체제가 죽으면 커널 메모리를 캡처한 “비정상 종료 덤프”를 생성한다.
    • 해당 덤프를 통하여, 운영체제가 죽은 원인을 분석한다.




  • 성결대학교 컴퓨터 공학과 강영명 교수님 (2021)
  • Siberschatz et. al., 『Operating System Concepts 10th Ed.』
본 게시글은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.