#13. OS의 기본적인 작동 방식

열세번째 궁금증 : 운영체제(OS)의 기본적인 작동 방식

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- 운영체제(Operating System, OS)

 

시스템 소프트웨어에 해당하는 운영체제(OS)는 컴퓨터 하드웨어를 관리하며 여러 애플리케이션(응용 소프트웨어)들이 작동할 수 있는 환경을 제공합니다. 운영체제는 사용자 - 하드웨어 간 전반적인 상호작용을 하며 컴퓨터가 실행되는 동안 항상 수행되는 프로그램입니다. 

 

 

- 운영체제의 예

 

<PC 운영체제>

 

	Microsoft Windows
	Linux
	mac OS

 

<모바일 운영체제>

 

	Andriod
	iOS

 

 

- 운영체제의 목적

 

운영체제의 목적은 사용자가 컴퓨터를 편리하게 사용하게 하고 컴퓨터 하드웨어의 각 각의 자원들이 더욱 효율적으로 사용되는 것입니다. 

 

 

- 시스템의 발전

 

운영체제는 한 번에 한 개의 프로그램만 실행되는 단일 프로그래밍에서 현재의 빠른 운영체제로 발전되어 왔습니다. 

 

일괄처리 시스템 - 다중프로그램 시스템 - 시분할처리 시스템 - 실시간처리 시스템 - 분산처리 시스템 - 병렬처리 시스템

 

 

1. 일괄처리 시스템 (Batch System)

 

일괄처리시스템은 유사한 요구를 가지는 작업을 모아 하나의 그룹으로 수행하는 시스템입니다. 초기 컴퓨터가 동작하는 방식으로서 작업을 실행 시 끝날때까지 다른 작업을 할 수 없습니다. 그렇기에 CPU가 쉬는 상태가 많습니다. 상호작용이 필요없는 큰 단위의 작업들을 수행할 때 사용됩니다. 장점은 많은 사용자가 시스템 자원을 공유할 수 있으며 처리의 효율이 향상된다는 것이고 단점은 생산성이 저하되며 응답시간이 길다는 점입니다(약 6시간). 

 

2. 다중 프로그램 시스템 (Multi-Programmed System)

 

다중 프로그램 시스템은 CPU가 수행할 작업을 항상 가지도록 하는 시스템입니다. 프로그램이 존재할 시, CPU는 멈추지 않고 계속 작동합니다. 

 

3. 시분할 시스템 (Time-Sharing System)

 

 

시분할 시스템은 아주 짧은 주기로 CPU를 각각의 프로그램에 할당하여 각 사용자가 모든 프로그램이 동시에 작동하고 있다고 느끼게 하는 시스템입니다. 장점은 응답시간을 단축시키며 생산성이 향상된다는 점이고 단점은 사용 시 통신 비용이 증가하고 동시 사용자 수가 증가하면 시스템이 부하되어 개인 사용자의 체감 속도가 느려진다는 점입니다.

 

4. 실시간 처리 시스템 (Real-Time System)

 

실시간 처리 시스템은 작업처리에 대한 제한시간을 갖는 시스템이며 CPU의 동작이나 작업이 즉시적인 처리를 요할 때 사용되는 시스템입니다. 실시간 처리 시스템은 Hard Real-Time System과 Soft Real-Time System으로 나눠지는데, Hard Real-Time System은 시간 제약을 지키지 못하는 경우 시스템에 치명적 영향을 끼치는 발전소 제어, 무기 제어 같은 엄격한 프로그램에 사용되며 Soft Real-Time System은 동영상 재생 등 비교적 엄격하지 않은 프로그램에 사용됩니다.

 

5. 분산 처리 시스템 (Distributed Processing System)

 

독립적인 처리 능력을 가진 컴퓨터 시스템을 네트워크를 이용해 연결해 작업을 처리하는 시스템입니다. CPU들은 메모리들을 공유하지 않습니다. 분산처리 시스템의 예로는 P2P 사이트(각 컴퓨터가 서버이자 클라이언트), 클라이언트&서버 시스템이 있습니다. 장점은 자원 공유를 통한 높은 성능을 가지며 신뢰성이 높다는 점이고 단점은 구축 및 관리가 어렵다는 점입니다.

 

6. 병렬 처리 시스템(Parallel Processing System)

 

병렬 처리 시스템은 메모리 등의 자원을 공유하는 시스템입니다. 사용 목적은 시스템의 성능 향상과 부품 중 하나가 고장이 나도 정상 동작이 가능하게 함으로써 신뢰성을 향상 시키는 것입니다. 

 

 

- 운영체제(OS)의 역할

 

화면 상의 요소를 통해 컴퓨터와 상호 작용하는 사용자 인터페이스(User Interface)를 제공함으로써 편리성을 향상시킵니다. (ex. CUI, GUI, EUCI)

 

 

- 운영체제의 구조

 

운영체제의 구조는 크게 커널(kernel)과 유틸리티(utililty)로 나뉘어집니다.

 

1. 커널(kernel)

 

커널은 알맹이라는 뜻을 가지고 있으며 운영체제의 가장 빈번하게 사용되는 기능들을 담당하는 운영체제의 핵심부분입니다. 커널은 항상 메모리에 올라가있는 메모리 상주 프로그램입니다. 커널의 동의어로는 핵(neucleus), 관리자 프로그램(supervisor program), 상주 프로그램(resident program), 제어 프로그램(control program) 등이 있습니다. 

 

2. 유틸리티(utility)

 

운영체제의 커널을 제외한 나머지 부분을 유틸리티라고 합니다. 항상 메모리에 올라가 있지 않은 비상주 프로그램이며 UI등 서비스 프로그램을 의미합니다.

 

 

- 운영체제(OS) 작동방식

 

우리가 컴퓨터의 전원을 켤 때 운영체제라는 프로그램은 어떻게 작동할까요?

 

1. 우리가 컴퓨터의 전원을 누르는 순간 컴퓨터에 전원을 공급하는 파워 서플라이는 메인보드에 부착된 장치들(CPU, 디스크, 메모리(*RAM, *ROM) 등)에게 전력을 공급합니다.

 

2. CPU가 ROM에 저장된 펌웨어인 *BIOS를 실행합니다.

 

3. 실행된 BIOS는 컴퓨터를 켤 때 문제가 있나 확인하는 프로그램인 POST를 실행해 주변 하드웨어 체크를 합니다.

 

4. POST 과정이 끝난 BIOS는 부팅매체를 선택하고 부팅매체의 *MBR에 저장된 부팅정보를 읽어오는 *부트스트랩을 실행합니다.

 

5. 부트스트랩 과정으로 RAM에 부트로더가 올라가고, 부트로더는 디스크에 있는 OS 코드를 복사해 RAM에 붙여서 OS를 실행합니다.

 

6. 제어권이 OS에 넘어오며 성공적으로 OS가 부팅됩니다.

 

7. OS는 대기하고 있던 첫번째 프로세스를 실행합니다.

 

8. *인터럽트가 발생하면서 CPU는 각종 작업을 처리합니다.

 

* ROM(Read Only Memory)과 RAM(Random Access Memory)의 차이

 

ROM은 오직 읽기만 가능한 메모리이며 전력 공급이 끊겨도 저장된 데이터가 사라지지 않아 ROM에는 부팅에 필요한 프로그램이 저장되어 있습니다(BIOS). RAM은 자유롭게 데이터를 올리고 지우지만 전력공급이 끊기면 데이터가 모두 사라지는 휘발성 메모리입니다. 메인보드의 메모리란 ROM과 RAM 둘 다 칭하는 말이니 구분해서 쓰는 것이 좋습니다.

 

* BIOS(Basic Input/Output System)

 

사용자가 컴퓨터를 키면 시작되는 프로그램으로 주변장치와 운영체제(OS) 사이의 데이터의 흐름을 관리합니다. 운영체제가 컴퓨터 하드웨어의 입출력을 컨트롤하고 싶을 때 펌웨어인 BIOS를 통해 컨트롤합니다.

 

* MBR(Master Boot Record), 부팅(Booting), 부트로더(Boot Loader), 부트스트랩(Boot Strap)

 

 

모든 기억장치(USB, 디스크 등)은 MBR란 영역을 가지고 있습니다. MBR이라는 기억 공간에는 디스크에 있는 운영체제(OS) 코드가 복사되어 있는 부트로더라는 프로그램이 저장되어 있습니다. 디스크는 MBR 정보를 읽고 BIOS는 부팅 과정을 도와주는 부트 스트랩을 이용해 부트로더를 RAM으로 옮깁니다. 부트로더의 OS 코드는 RAM에서 실행되어 제어권이 OS에 넘어갑니다. 이것을 부팅(Booting)이라고 합니다. 

 

* 인터럽트(Interrupt)

 

 

인터럽트란 어떠한 방해물이나 개입적인 요소를 의미합니다. CPU가 프로세스를 실행할 때 예외상황이 일어나면 현재 하던 일을 중단하고 그 인터럽트에 대한 처리를 먼저 하게 됩니다. 이것을 서비스 루틴이라고 합니다. 서비스 루틴이 종료되면 다시 CPU는 인터럽트 되었던 연산을 재개합니다.

 

 

 

 

 

<참고>

• 위키백과 - 운영체제
• 마무: 부트로더, 부트스트랩, 부팅과정, 펌웨어, BIOS, POST MBR 자세히!
• 안경잡이 개발자 - 운영체제
• 안경잡이 개발자 - 컴퓨터 시스템의 발전 양상을 살펴보자!
• HPC Lab. KOREATECH - [OS] Lecture 2. OS Overview (2/3) / 운영체제 강의