그 유명한 공룡책을 정독하기에는 너무나 양이 많아, 강의로 학습하고 내용을 기록용으로 정리해봤습니다! 개인적으로 궁금한 부분을 추가 조사했기 때문에 혹여나 잘못된 정보가 기재되어 있다면 정정 요청 부탁드립니다🙇‍♀️

🔗 운영체제 공룡책 전공강의

운영체제(Operating System)

• 하드웨어와 소프트웨어 사이에 위치하며, 사용자, 응용 프로그램, 하드웨어 사이에서 중재자 역할을 함
• 사용자가 입력 장치를 통해 이벤트를 발생시킴 -> 응용 프로그램에서 이벤트 처리를 위해 OS에게 요청 -> OS는 요청에 따라 하드웨어 제어 및 작업 수행 -> OS가 하드웨어로부터 결과값을 받으면 응용 프로그램에 전달 -> 응용 프로그램은 인터페이스를 통해 사용자에게 출력

컴퓨터 구성 요소

= 1개 이상의 CPU + 여러 개의 디바이스 컨트롤러 + 이들을 이어주는 공통 버스(bus)

부트스트랩 프로그램(bootstrap program)

왜 부트스트랩일까?

가죽신발(boots)을 신기 위해 뒷쪽에 달린 스트랩을 “bootstrap”이라고 하며, 가죽신발을 신을 때 끌어올리기(boot up) 위한 요소의 의미와 같습니다.

• 컴퓨터 전원을 켰을 때, 가장 먼저 실행되는 프로그램
• 모든 하드웨어를 켜고 메모리 등 장치들을 초기화함
• ROM(Read Only Memory)에 저장되어 있는 OS를 메모리(RAM)에 로드함

인터럽트(Interrupt) 시스템

• 하드웨어나 소프트웨어에서 이벤트가 발생했을 때 CPU에 알림을 보내는 메커니즘
• 예를 들어, I/O 디바이스 입력으로 인해 이벤트가 발생했을 때 CPU가 이를 처리하기 위해 진행중이던 프로세스를 일시 중단하고 이벤트를 처리한 뒤 중단한 프로세스를 재개함

폰 노이만 아키텍처(명령-실행 주기)

1. 프로그램이 실행되면 프로그램이 메모리에 올라가고, 메모리에서 명령어를 하나씩 가져와 IR에 저장함
   • IR(Istruction Register, 명령어 레지스터) : 명령어를 저장하는 레지스터
2. CPU가 명령어를 하나씩 fetch 및 execute함
   • IR이 필요한 값을 가져오기 위해 레지스터들에 접근하여 값을 가져와 명령어 동작을 수행함

저장소 계층 구조

1. 레지스터(Register)
   • CPU 안에 회로로 묶여 존재하는 초고속 저장 장치
   • 용량은 매우 작음
2. 캐시(Cache)
   • 램보다 훨씬 빠르지만 용량이 작고 비쌈
   • 자주 쓰이는 데이터를 임시저장함으로써 CPU 접근 속도 향상
3. RAM(= Random Access Memory)
   • 현재 실행중인 프로그램과 데이터를 저장하는 영역
   • 전원이 꺼지면 데이터가 날아가는 휘발성 메모리 (= Dynamic RAM 기반)
   • CPU가 직접 접근 가능한 실행 공간 이라서 메인 메모리(주 저장장치)라고 함
     • 예: 프로그램 실행 -> 디스크에서 프로그램을 RAM에 로드 -> CPU가 RAM에서 명령어와 데이터를 fetch
4. SSD(Solid-State Disk)
   • 플래시 메모리 기반의 보조 저장 장치 (=비휘발성)
   • HDD보다 훨씬 빠르고 내구성이 강하지만 더 비쌈
5. HDD(Hard Disk Drive)
   • 마그네틱 카드 자기장을 이용한 저장 장치
   • SSD보다 느리지만 대용량 저장시 사용
6. Optical Disk(광디스크)
   • HDD에 저장하기에 용량이 큰 대용량 데이터나 장기 보관용 데이터를 저장함
   • CD, DVD, Blu-ray 등
7. Magnetic Tapes(자기 테이프)
   • 순차 접근 방식이라 느리지만 대규모 백업 및 아카이브 용으로 활용됨
   • 수십년 단위 저장 가능하며 저렴함

IMPORTANT

RAM의 “Random Access”는 임의 접근이라는 뜻으로, 주소만 알면 위치에 상관없이 동일한 속도로 접근 가능하다는 의미입니다.

I/O 구조

• DMA(Direct Memory Access)
  • 간단하게 메모리 저장 혹은 값 출력만을 요하는 경우, 입출력을 위해 CPU가 계속 잡혀있지 않고 디바이스와 메모리가 직접 데이터를 전달하는 방식
  • 이 방식을 담당하는 장치를 DMA 컨트롤러라고 함
  • 이를 통해 CPU는 다른 작업을 동시에 수행할 수 있음

컴퓨터 시스템 부품들

• CPU : 명령어를 실행하는 하드웨어
• Processor: 1개 이상의 CPU를 포함하는 물리적 칩
  • CPU라는 개념적 용어의 물리적인 칩을 일컫기 때문에 일상에서는 둘을 같은 존재로 봐도 무방함
• Core : CPU 내부에서 실제로 연산을 수행하는 연산 단위
  • 하나의 코어는 독립적으로 명령어를 처리하여 명령-실행 주기를 가짐
  • 예를 들어, 듀얼코어 CPU는 2개의 코어가 있으므로 동시에 2개의 명령어 실행 가능

SMP(Symmetric Multiprocessing, 멀티프로세서)

• 가장 흔한 멀티 프로세서 시스템 (= 하나의 시스템에에 CPU가 여러개라는 뜻)
• 모든 CPU가 동등한 권한으로 메모리와 I/O 장치를 공유하며, 각 CPU가 각각의 레지스터와 캐시를 가짐
• 여러 CPU가 동시에 일을 나눠서 병렬적으로 수행하기 때문에 응답 속도 향상, 높은 CPU 활용률, 독립적이기 때문에 안정성 향상

Multi-core

• 한 개의 CPU(프로세서) 칩 안에 2개 이상의 코어가 있음

멀티프로세서(SMP)도 병렬 작업인데, 무슨 차이지?

• 둘 다 동시에 여러 작업을 수행하는 점에서는 비슷하지만, 하드웨어 구조와 자원 공유 방식에 차이가 있다.
• 멀티 프로세서(SMP)
  • CPU 간 통신시 데이터 동기화 비용이 커짐 (ex. 캐시 일관성 문제)
  • CPU 칩이 여러개이기 때문에 하드웨어 가격이 비쌈
• 멀티 코어
  • 같은 CPU 칩 안에서 코어가 여러개이기 때문에 CPU 간 통신보다 속도가 빠름

Multiprogramming(다중 프로그래밍)

• 여러 개의 프로그램을 동시에 메모리에 로드하고 실행시키는 방식으로, 실제로 CPU는 한번에 하나의 프로그램만 실행하지만 하나씩 번갈아 실행시킴
• 시스템 입장에서 CPU 활용을 극대화시키기 위함이 목적
• A 프로그램이 결과를 실행 결과를 기다리는 동안 B 프로그램을 실행하여, 하나의 프로그램 동작을 오랫동안 기다리느라 다른 프로그램을 실행하지 못할 일이 없음

Multitasking(다중 작업)

• 멀티프로그래밍의 논리적 확장으로, 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 CPU 시간을 나눠(= 시분할) 빠르게 교체하며 실행시키는 방식
• 사용자 입장에서 동시에 여러 프로그램이 실행되는 것처럼 보이게 함이 목적 (= 사용자 체감 환경 발전)
• CPU 스케줄링
  • CPU가 여러 프로그램을 빠르게 교체하여 실행하기 위해 어떤 프로그램을 먼저 수행할지 고르는 작업
  • 스케줄링의 주체는 OS, CPU는 연산기일 뿐 어떤 프로세스가 CPU를 점유할지는 OS가 스케줄러 모듈을 통해 결정함

운영체제 연산 모드들

• CPU는 보안과 안정성을 위해 두가지 모드로 나눠 동작함
• 유저 모드
  • 하드웨어 자원에 직접 접근 제한
  • 접근 요청은 system call 통해 OS에게 위임
• 커널 모드
  • 모든 자원에 직접 접근 가능 (= 최고 권한)
  • 오해하지 말아야 할 것, 유저에게 접근 권한 주어지는 것이 아닌 OS가 접근 권한을 부여받는 것

• 사용자가 응용 프로그램을 사용하다가 하드웨어 자원에 직접적인 접근이 필요한 이벤트를 발생시키면 system call을 통해 CPU가 커널모드로 전환된다. 이때 운영체제가 하드웨어 자원에 접근해 이벤트 처리를 위한 동작을 수행하고 결과값을 받아 유저 프로세스로 진입하기 전에 CPU를 다시 유저모드로 전환하고 인터페이스를 통해 사용자에게 결과값을 출력시키는 흐름입니다.

가상화(Virtualization)

• 하나의 하드웨어 위에 여러 OS를 동시에 실행시킬 수 있도록 하는 기술
• VMM(Virtual Machine Manager, 하이퍼바이저)
  • 하드웨어와 OS 사이에 존재
  • VMware, XEN, WSL 등이 대표적

컴퓨팅 환경(Computing Environments)

운영체제가 동작할 수 있는 여러 환경들이 있습니다. 이는 컴퓨터가 사용되는 방식, 맥락, 목적에 따라 구분됩니다.

• Traditional Computing : 일반 컴퓨터
• Mobile Computing
  • 스마트폰, 태블릿과 같은 모바일 환경
  • 배터리/무선 네트워크/터치 UI 지원 필요
• Client-Server Computing
  • 클라이언트가 요청을 보내고 서버가 응답하는 구조
  • 예: 웹 서비스, 데이터베이스 서버

• Peer to Peer(P2P)
  • 중앙 서버 없이 사용자(노드) 간 직접 통신을 통해 자원 공유 (=N
    컴퓨팅)
  • 예: BitTorrent, 블록체인

• Cloud Computing
  • 하드웨어를 가상화하여 가상머신이나 컨테이너와 같은 단위로 컴퓨팅 자원(서버/스토리지/네트워크)을 인터넷을 통해 서비스로 제공 (= 가상화 기반)
  • 예: AWS, Azure, GCP, 그 밖의 네이버클라우드 등

• Real-Time Embedded Systems
  • 자동차, 의료기기, 가전제품, IoT 기기 등에 들어가는 실시간 OS
  • 비용/전력/공간 제약으로 인해 최소 자원으로 구성되어 하드웨어 제약이 있고, 정해진 시간 안에 무조건 응답해야 하는 실시간성이 보장되어야 함