01 | Introduction to Operating Systems

운영체제 (이화여자대학교 반효경 교수)

Operating System

컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층

- 협의의 운영체제: 운영체제 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분, 즉 커널

- 광의의 운영체제: 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티 포함

 

목적

자원을 효율적으로 관리🌟

• 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리: 형평성 있는 자원 분배, 주어진 자원 내에서 최대의 성능 내도록(효율성)
• 사용자 및 운영체제 자신의 보호
• 프로세서, 파일, 메시지 등 관리

컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경 제공

• 동시 사용자/프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공: 추상화
• 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 담당

분류

동시 작업 가능 여부

• 단일 작업(Single Tasking): 한 번에 하나의 작업만 처리 | MS-DOS
• 다중 작업(Multi Tasking): 동시에 두 개 이상의 작업 처리 | UNIX, MS Windows

사용자 수

• 단일 사용자(Single User): MS-DOS, MS-Windows
• 다중 사용자(Multi User): UNIX, NT server

처리 방식

• 일괄 처리(Batch Processing)
  • 작업 요청을 일정량 모아서 한꺼번에 처리
  • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
  • 초기 Punch Card 처리 시스템
• 시분할(Time Sharing) 😜컴퓨터 유저가 주로 사용하는 시스템: 우리의 메인 주제😜
  • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
  • 사람이 느끼기에 빠른 처리속도를 가지며, 정해진 자원을 최대한 사용하는 것이 목적. 정해진 시간을 지켜주는 것은 아님
  • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐
  • Interactive
  • 다만, 최근 실시간성을 필요로하는 수요가 늘고있기 때문에(예: 스마트폰의 각종 기능들), 이런 애플리케이션을 범용 OS에서 어떻게 지원해야 하는가에 대한 이슈가 발생하고 있음
• 실시간(Realtime OS)
  • 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS
  • 원자로, 공장, 미사일, 반도체 장비, 로보트 제어 등
  • 확장 개념:
    • Hard realtime system(경성 실시간 시스템) : 반도체 공정 등
    • Soft realtime system(연성 실시간 시스템) : 영상 처리 작업 등

용어

Multitasking

Multiprogramming

Time sharing

Multiprocess

• 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 표현하는 용어들이나,
• Multiprogramming은 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있는 것을 강조한다.
• Time Sharing은 CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조한다.

* Multiprocessor를 사용한 병렬처리: 고성능 컴퓨팅(HPC)

종류

UNIX

어셈블리어에서 벗어나 운영체제를 위한 언어 시작됨: C
높은 이식성
소스 코드 공개
프로그램 개발에 용이
복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
최소한의 커널 구조
다양한 버전:
- System V, FreeBSD, Solaris, SunOs
- Linux: 서버 운영체제에서 개인 PC를 위한 운영체제로 변신

MS-DOS

단일 작업용 운영체제로 출발(매우 작은 메모리 크기: 주기억장치 640 KB): 하드웨어의 발전을 생각하지 않음
옛날 기능 지원하면서 새로운 기능들을 추가하다보니 복잡하고 누더기 같은 시스템이 되어버림

Windows

GUI
Plug and Play
불안정성(초기)
풍부한 지원 소프트웨어

Mac, 기타 Handheld Device위한 운영체제: PalmOS, TinyOS, ...

구조

CPU 스케줄링

• Disk: 메모리에 비해 60~100만배 느림, 메모리: CPU에 비해 수백배 느림 => 자원 활용 최대화 필요
• 단순히 1/n하는 것은 문제를 해결하지 못함

메모리 관리

• 메모리 공간은 한정, 여러 프로그램을 실행하고자 함.
• 프로그램이 너무 많아 메모리를 조금 가지고 있다면 전체 시스템의 실행이 원활하지 못함. 원활히 실행되기 위한 최소한은 확보: Working Set 모델
• 다시 사용할 가능성이 높은 것들을 메모리에 두어야 함: 미래는 어떻게 예측? => 과거 내역을 통해 자주 사용한 경우 메모리에 둠

파일 관리

• 연속적으로? 조각으로? 디스크 특성에 맞게 관리하는 것이 필요
• 디스크의 헤드를 가지고 읽고 쓰기 때문에 이에 맞게 순서를 바꾸어 디스크 헤드의 이동을 줄여주는 방법으로 효율화 해야함

입출력 관리: 인터럽트에 기반

• I/O 디바이스의 관리
• CPU보다 느리기 때문에 속도 차에 의한 차이를 운영체제가 담당함