6. 운영체제

안녕하세요 이번 포스팅에서는 운영체제에 대해 공부하고 정리해 보겠습니다!

 

 

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운영체제란? 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스입니다. 한정된 메모리, 시스템 자원 등을 효율적으로 분배합니다. 

* 운영체제와 비슷하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것 : 펌웨어

 

 

# 운영체제

* 운영체제의 역할과 구조

1. CPU 스케줄링, 프로세스 관리

2. 메모리 관리

3. 디스크 파일 관리

4. I/O 디바이스 관리

 

- 운영체제의 구조는

유저프로그램 -> 인터페이스(GUI, CUI) -> 시스템콜 -> 커널(드라이버, 파일 시스템) -> 하드웨어

 

이 중, 인터페이스(GUI, CUI) -> 시스템콜 -> 커널(드라이버, 파일 시스템) 이 해당됩니다.

 

* 시스템 콜

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용합니다.

이 과정을 통해, 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있습니다.

 

시스템콜은 하나의 추상호 계층이기에, 네트워크 통신/데이터베이스 같은 낮은 단계의 영억 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있습니다.

 

# modebit

시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해 유저/커널 모드를 구분합니다. modebit은 0, 1의 값을 가지는 플래그 변수입니다. 0은 커널 모드 1은 유저 모드로 설정됩니다. 외부로의 공격의 100퍼센트를 막을 수는 없지만, 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기가 쉽습니다.

 

-  커널 : 운영체제의 핵심, 시스템 콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스(요청관리) 등 운영체제의 중추적인 역할

 

# 컴퓨터의 요소

1. CPU

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말합니다. 인터럽트에 의해 메모리에 존재하는 명령어를 해석해 실행하는 역할을 합니다.

 

- 제어 장치 : 입출력 통신 제어, 명령 해석 데이터 처리 순서 결정

- 레지스터 : 매우 빠른 임시기억장치. CPU와 직접 연결되어 있기에 연산 속도가 메모리에 비해 매우 빠름

- 산술논리연산장치 : 덧셈, 뺄셈, 배타적 논리합/논리곱 등을 계산 디지털 회로

 

* 인터럽트 : 하드웨어/소프트웨어 두 가지로 나뉘며 I/O 디바이스 등으로 인한 신호가 들어왔을때 인터럽트 벡터로 가 핸들러를 발동시켜 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말합니다.

 

2. DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어입니다. CPU의 부하를 막하주며 CPU, DMA 간 하나의 작업을 동시에 하는 것을 방지합니다.

 

3. 메모리

데이터, 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말합니다. 

 

4. 타이머

특정 프로그램에 시간을 제한하는 역할을 합니다.

 

5. 디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하며 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 의미합니다.

 

 

# 메모리

1. 메모리 계층

- 레지스터 : CPU 안 작은 메모리, 작은 용량, 휘발성, 가장 빠른 속도

 

- 캐시(L1,L2) : 휘발성, 속도 빠름, 작은 용량, L3도 존재

 

- 주기억장치(RAM) : 휘발성, 속도 보통, 보통 용량

 

- 보조기억장치(HDD, SSD) : 비휘발성, 낮은 속도, 많은 기억용량

 

* 캐시 : 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른/느린 장치 간 차이에 따른 병목현상을 줄이기 위한 메모리(시간 절약)

ex) 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할수 있습니다.

 

* 지역성의 원리

캐시를 직접 설정할 때에는 지역성의 원리를 따라야합니다. ( 시간 지역성, 공간 지역성 )

- 시간 지역성 : 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성

- 공간 지역성 : 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간, 가까운 공간에 접근한 특성

 

캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 경우 캐시히트! 해당 데이터가 캐시에 없다면 캐시미스라고 합니다.

 

* 캐시 매핑

캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법

 

1. 직접 매핑 : 직접적인 매핑. 처리가 빠르지만 충돌이 자주 발생

2. 연관 매핑 : 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑. 처리가 느리지만 충돌이 거의 발생하지 X

3. 집합 연관 매핑 : 직접 + 연관 매핑

 

# 웹 브라우저의 캐시

1. 쿠키 : 키-값의 만료기한이 있는 저장소. 

2. 로컬 스토리지 : 키-값의 만료기한이 없는 저장소. 웹 브라우저를 닫아도 유지

3. 세션 스토리지 : 키-값의 만료기한이 없는 저장소. 탭을 닫을때 해당 저장소가 삭제됨

 

2. 메모리 관리

1. 가상 메모리

컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 메모리 관리 기법입니다.

 

가상주소(logical address)는 메모리 관리장치(MMU)에 의해서 실제주소(physical address)로 변환됩니다.

 

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리되는데 이 과정에서 속도 향상을 위해 TLB를 사용합니다.

 

* TLB : 메모리와 CPU 간 주소 변환을 위한 캐시입니다. 매핑 과정에서 페이지 테이블까지 가지 않게 하는 역할을 하며 속도 향상을 위해 사용됩니다.

 

* 스와핑 : 실제 메모리에 존재하지 않는 것을 가상 메모리에서 호출할 경우 페이지 폴트가 발생하는데 이 과정에서 사용하지 않는 실제 메모리에 것을 하드디스크로 옮겨 하드디스트의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 사용하는 것을 스와핑이라고 합니다.

 

2. 스레싱

메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미합니다. 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것입니다.

 

페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아지고 운영체제에서는 CPU 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 되어 악순환이 반복됩니다.

 

이를 해결하기 위한 방법으로, 작업세트와 PFF가 있습니다.

 

- 작업세트

프로세스의 과거 사용이력인 지역성을 이용해 결정된 페이지 집합을 만들어 미리 메로리에 로드하는 것입니다.

- PFF

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선/하한선을 만드는 방법입니다. 상한선에 도달시 프레임을 증가하고 하한선에 도달시 프레임을 감소 시키는 방법입니다.

 

3. 메모리 할당

- 연속 할당 : 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것. 연속 할당에서도 고정 분할 방식(융통성 X, 내부 단편화 발생)과 가변 분할 방식(크기에 맞게 동적 사용, 외부 단편화 발생 가능)으로 나뉩니다.

 

가변분할 방식에서는 최초적합(위아래서 시작 -> 적합 홀 할당), 최적적합(프로세스 크기 이상 공간 중 가장 작은 홀 할당), 최악적합(프로세스 크기와 가장 차이가 많이나는 홀 할당)이 있습니다. 

 

- 불연속 할당 : 현대에서 가장 많이 쓰이는 페이징(동일 크기 페이지로 나눠 서로 다른 위치에 메모리 할당 -> 주소 변환 복잡) 기법. 세그멘테이션(세그먼트로 나누는 형식 -> 공유/보안 장점, 홀 크기 균일 X), 페이지드 세그멘테이션(세그먼트로 나누는 형식 + 동일 크기 페이지 단위로 나누는 것)도 있습니다.

 

* 페이징 교체 알고리즘

1. 오프라인 알고이즘

2. FIFO

3. LRU

4. NUR

5. LFU

 

이번 포스팅은 여기까지 정리하고 다음 포스팅에 운영체제, 컴퓨터 구조에 대해 더 공부하고 정리해 보겠습니다!