운영체제와 컴퓨터 시스템 구조

운영체제의 종류

• GUI(그래픽 사용자 인터페이스): 그래픽을 이용해 컴퓨터와 상호작용.
• CUI(캐릭터 사용자 인터페이스): 문자를 기반으로 한 상호작용.

운영체제의 역할

• CPU 스케줄링 및 프로세스 상태 관리.
• 메모리 관리 및 디스크 파일 관리.
• I/O 장치 관리 기능 포함.

운영체제의 구조

• 유저 프로그램과 OS 부분이 구분됨.
• 인터페이스(GUI 또는 CUI), 시스템 콜, 커널(파일 시스템, I/O 드라이버 포함), 하드웨어로 구성.

컴퓨터 시스템의 구조

• CPU: 명령어 해석 및 실행 담당.
• DMA 컨트롤러: CPU 작업 보조.
• 메모리: 데이터 및 상태를 기록.
• 타이머: 특정 프로그램에 시간 부여.
• 디바이스 컨트롤러: I/O 디바이스 담당.
• 로컬 버퍼: 디바이스에 붙어 있는 작은 메모리.

CPU의 구성

• ALU(산술논리연산장치): 기본 산술 및 논리 연산 수행.
• CU(제어 장치): 프로세스 조작 및 명령어 해석.
• 레지스터: CPU 내의 빠른 임시 기억장치.

인터럽트

• 인터럽트: 특정 신호로 CPU를 정지시키는 과정.
• 하드웨어 인터럽트: IO 디바이스에서 발생.
• 소프트웨어 인터럽트(트랩): 프로세스 오류 등에서 발생, 하드웨어보다 우선.

시스템 콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스.
• 프로세스 관리, 파일 관리, 디바이스 관리와 관련된 호출을 포함.
• ex) kill() 함수는 프로세스 종료를 위한 시스템 콜.

커널

• OS의 핵심 부분으로 보안 및 하드웨어 관리를 담당.

유저 모드와 커널 모드

• 유저 모드: 제한된 자원 접근, 안정성 증가.
• 커널 모드: 모든 자원에 접근 가능.

modebit

• 시스템 콜 작동 시 유저 모드(1)와 커널 모드(0)를 구분.

시스템 콜의 장점

• 유저 프로그램은 커널과 분리되어 복잡함을 숨김.
• 시스템 안정성과 보안성 강화.

메모리 계층

• 메모리 종류: 레지스터 > 캐시 > 주기억장치 > 보조기억장치.
• 자주 접근하는 데이터는 빠른 메모리에, 덜 접근하는 데이터는 느린 메모리에 저장.

가상 메모리

• OS에서 메모리를 관리하여 사용자에게 큰 메모리처럼 보이게 함.

프로세스와 스레드

• 프로세스: 실행 중인 프로그램, 싱글/멀티 스레드로 나뉨.
• 스레드: 프로세스 내 작업 흐름.
• 프로세스는 서로 격리되어 있지만, 스레드는 자원 공유 가능.

프로세스의 메모리 구조

• 스택: 지역변수 및 매개변수 저장, 런타임 시 크기 변경 가능.
• 힙: 동적 할당 메모리 포함.
• 데이터 영역: 정적 할당 정보를 포함.
• 코드 영역: 프로그램의 코드 저장.

멀티 프로세싱 vs 멀티 스레딩

• 멀티 프로세싱: 여러 프로세스를 동시에 실행, 격리성 제공.
• 멀티 스레딩: 작업을 스레드로 처리, 자원 공유로 효율성 증가.

IPC(프로세스 간 통신)

• 데이터 주고받기 및 공유 데이터 관리 메커니즘.
• IPC의 종류: 공유 메모리, 파일, 소켓, 파이프, 메시지 큐.

공유 자원과 경쟁 상태

• 공유 자원: 여러 프로세스가 접근 가능한 변수 및 데이터.
• 경쟁 상태: 두 개 이상의 프로세스가 동시에 자원에 접근할 때 발생.

임계 영역

• 공유 자원 접근 시 결과에 영향을 줄 수 있는 코드 영역.
• 한 번에 하나의 프로세스만 접근 가능하도록 설계됨.

뮤텍스, 세마포어, 모니터

• 소프트웨어 동기화 방법.
• 뮤텍스: 잠금을 통한 접근 조절.
• 세마포어: 신호를 통한 접근 조절.
• 모니터: 공유 자원을 안전하게 접근할 수 있도록 인터페이스 제공.