(6)-2 운영체제의 주요 기능

운영체제와 커널(Kernel)
• 넓은 의미에서의 운영체제
– 윈도우, 리눅스, 맥 OS과 같이 널리 일반적으로 사용
– 운영체제의 핵심 기능을 비롯하여 시스템 프로그램, 라이브러리, 서비스, GUI 등을 포함
 
• 좁은 의미에서의 운영체제
– CS 학문에서의 운영체제는 커널을 말함
– 프로그램들을 구동하고 컴퓨터를 제어하는 프로그램
 
• 커널이란(Kernel)–하드웨어를 제어하고 중재하는 역할
– 하드웨어에 대한 추상화 제공
– 시스템 자원을 적절히 배분하는 역할
– 사용자, 프로그램, 운영체제를 보호하는 역할
– 기타 등등

 
이중모드와 시스템 호출
 
• 이중모드
   - 프로그램은 컴퓨터 자원에 직접 접근할 수 없으며, 운영체제를 통해서 대신 접근할 수 있음
   -  CPU가 명령어를 실행하는 모드를 사용자 모드와 커널모드로 나누어 실행
      •사용자 모드: 운영체제 서비스를 제공받을 수 없음
      •커널 모드
          * 운영체제 서비스를 제공받음
          * 자원 접근이 자유로움
          * 그러므로, 커널모드에서의 실행은 신중해야 함(보호 필요)
          *시스템 호출을 통해 모드 전환 가능
 

 
• 시스템 호출
• 사용자 모드와 커널모드 사이의 인터페이스 역할
– 커널이 하드웨어와 관련된 일을 처리하여 프로그래밍을 더욱 쉽게 함
– 커널이 자원 접근을 통제하며 시스템 호출을 통해서만 가능하므로 안전한 프로그래밍이 가능함
– 운영체제의 기능이 변경되어도 시스템 호출은 동일하므로 프로그램의 이식성이 높아짐
 
시스템 호출의 예
• 프로세스 제어 – 실행, 종료, 대기, 메모리 할당 등
• 파일 관리 – 파일 생성, 삭제, 열기, 닫기 등
• 장치 관리 – 장치 사용 요청 및 해제, 읽기, 쓰기 등
• 정보 관리 – 날짜, 시간, 프로세스 정보, 파일 정보 등
• 통신 – 통신 채널 생성, 메시지 전송/수신 등

모드 전환
• 사용자 모드 -> 커널 모드 전환
  – 외부 인터럽트
    • 타이머, I/O 장치, 네트워크 카드, 키보드, 마우스 등
  – 내부 인터럽트(트랩)
    • 의도적 발생: 시스템 호출을 통해서 커널 모드로 진입
    • 비의도적 발생: 장애/예외 발생시 커널 모드로 진입
        – 예: 0으로 나누는 경우
• 커널 모드 -> 사용자 모드 전환
    – 새로운 프로세스가 생성된 이후
    – 인터럽트, 예외, 시스템호출에 대한 처리가 끝난 이후
    – 문맥 교환이 일어난 이후
 
인터럽트와 트랩
•인터럽트: 하드웨어에 의해 발생
•트랩: 소프트웨어에 의해 발생
 
프로세스
• 프로세스
   – 메모리에 탑재되어 CPU에서 실행되고 있는 프로그램
   – 즉, 프로그램의 인스턴스(동작 중인 상태)
• 프로세스의 구조
   – 메모리
      • 실행 가능한 이미지: 프로그램 코드와 전역 변수
      • 스택: 지역 변수
      • 힙: 포인터 변수
– 레지스터
    • 프로그램 카운터(Program counter): 다음에 실행되어야 할 명령어의 위치
    • 스택 포인터(Stack pointer): 함수에 대한 정보를 관리

 

프로세스의 상태

– 준비: 실행될 준비가 되었으나 운영체제에 의해 선택되지 못하여 실행되지 않은 상태

– 실행: CPU에서 실행되는 상태

– 대기: 일부 작업을 수행하고 I/O 발생하여 CPU의 실행이 중단된 상태. 그러므로 다른 프로세서는 그동안 CPU를 사용할 수 있음

 

 

문맥 교환(Context Switching)

• 멀티 프로그래밍에서 현재 프로세스가 중단 되고 다른 프로세스가 실행되는 것

• 시분할 시스템에서는 주기적으로 이러한 프로세스 전환이 발생함

   – 모든 프로세스가 평등하게 CPU 작업 시간을 받을 수 있게함

 

• 문맥 교환을 위한 절차

   – 현재 프로세스의 실행 정보를 저장함

        • Process Control Block(PCB) 라고 하는 자료 구조에 현재 실행 정보를 저장

               – 프로세스ID, 레지스터값, 프로세스 상태(실행, 대기, 준비 등), 스케줄링 정보, 메모리 정보, 사용한 파일, 입출력장치 목록 저장

  – 다음 실행될 프로세스 선택 (Scheduling)

  – 선택된 프로세스에서 프로세스 실행 정보를 읽어옴

  – 프로세스 실행 상태를 복구하여 프로세스 시작

 

• 문맥교환시 사용자 모드에서 커널 모드로의 전환이 필요함

– 커널 모드에서 각 프로세스의 상태를 읽고 저장할 수 있으며

– 프로세스를 중단 및 시작할 수 있음