[운영체제] 1. 운영체제 기본 개념 : 커널, 시스템콜, 인터럽트, DMA, 멀티프로그래밍 시스템

📎  운영체제의 역할과 커널의 기능 

운영체제는 그림과 같이 커널, 인터페이스, 시스템 콜, 드라이버의 4가지로 크게 나누어질 수 있다. 

 

커널 

커널은 운영체제의 핵심요소로, HW와 직접 상호작용하며 메모리, CPU, IO, 파일 시스템 등을 관리하는 SW이다. 

 

인터페이스

인터페이스는 서로 다른 시스템요소들이 상호작용할 수 있게 도와주는 매개체로, 유저와 OS, HW와 OS의 상호작용이 그 대표적인 예시이다. CLI(명령어 인터페이스), GUI(그래픽 유저 인터페이스) 등이 인터페이스의 예이다.

 

시스템 콜

시스템 콜은 응용 프로그램이 OS의 기능을 호출할 때 사용하는 인터페이스로, 응용 프로그램이 OS에 직접 접근하는 것을 막고자 만들어졌다.  read()와 같이 파일을 읽는다던가, fork()와 같이 프로세스를 생성하는 것들이 이 시스템 콜에 포함되며, 응용 프로그램은 이러한 호출을 통해서 자원을 이용할 수 있다. 

 

드라이버

드라이버는 HW와 OS 간의 소프트웨어 인터페이스 역할을 한다. 각 하드웨어 장치는 운영체제와 서로 다르게 작동할 수 있기 때문에, 드라이버는 이들 장치가 운영체제와 호환되도록 해준다. 프린트 드라이버, 그래픽 카드 드라이버가 그 예시이다. 

 

 

 

 

📎  커널의 시스템 자원 관리 

앞서 말했듯이 커널은 우리가 운영체제 하면 떠올리는 기능들을 대부분 수행하는 OS의 핵심요소이다. 그러면 커널이 관리하는 자원에 대해서 자세히 알아보자. 각 내용은 전부 꽤나 깊은거라, 이 글에서는 간단히 알아보고 나중에 각각 더 자세히 업로드를 하겠다. 

 

1. 프로세스 관리

커널은 여러 프로세스를 효율적으로 관리하고, 프로세스 간 충돌 없이 시스템 자원을 공정하게 분배하기 위한 관리를 한다. 

• 프로세스 스케줄링: CPU 자원을 여러 프로세스에 할당하는 방식이다. 다양한 스케줄링 알고리즘(예: FIFO, Round Robin, Priority Scheduling)을 사용하여 효율성을 높인다.
• 프로세스 동기화: 여러 프로세스가 공유 자원을 동시에 사용하지 않도록 제어한다 : 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore) 
• 프로세스 생성 및 종료: 새로운 프로세스를 생성하고, 작업을 완료한 프로세스를 종료하는 작업을 관리한다
  

2. 메모리 관리 

커널은 시스템의 물리적 메모리(RAM)를 효율적으로 배분하고, 프로세스들이 필요한 만큼 메모리를 사용할 수 있도록 관리한다.

• 메모리 할당: 각 프로세스가 실행되는 동안 필요한 메모리 공간을 할당한다 : 연속 할당, 페이지 할당, 세그먼트 할당 등
• 가상 메모리: 실제 물리적 메모리보다 큰 메모리를 제공하는 방법이다. 하드 디스크의 일부를 가상 메모리로 사용하여 프로그램을 실행할 수 있게 한다. 페이징(Paging)과 세그멘테이션(Segmentation) 기술을 사용하여 메모리를 관리한다.
• 메모리 보호: 각 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 침범하지 않도록 보호하는 기능을 제공한다.
• 메모리 해제: 사용이 끝난 메모리 공간을 해제하여 다른 프로세스가 사용할 수 있게 한다.

3. 입출력 장치 관리 

커널은 하드웨어 장치(디스크, 프린터, 네트워크 장치 등)와의 데이터 송수신을 관리한다.

• 디바이스 드라이버(Device Drivers): 각 장치에 맞는 드라이버를 통해 하드웨어와의 상호작용을 관리한다.
• 장치 스케줄링(Device Scheduling): 여러 입출력 요청을 처리하기 위해 장치에 대한 접근 순서를 관리한다. 예를 들어, FCFS(First-Come-First-Served), SSTF(Shortest Seek Time First), SCAN 등의 알고리즘을 사용하여 입출력 장치가 효율적으로 작동하도록 한다.
• 버퍼링(Buffering): 입출력 장치의 속도 차이를 해결하기 위해 데이터를 일시적으로 저장하는 버퍼를 사용하여 데이터 송수신을 원활하게 한다.

 

4. 파일 시스템 관리 

커널은 데이터를 효율적으로 저장하고, 파일을 관리한다.

• 파일 저장: 데이터를 파일로 저장하고, 해당 파일을 디스크에 안전하게 보관한다. 파일은 디렉토리 구조를 통해 관리되며, 파일에 대한 경로를 설정하여 접근할 수 있다.
• 파일 할당 방법: 디스크 상에서 파일이 저장되는 방법을 관리한다. 연속 할당(Contiguous Allocation), 링크 할당(Linked Allocation), 색인 할당(Index Allocation) 등의 방법이 있다.
• 파일 접근 제어: 파일에 대한 읽기, 쓰기, 실행 등의 권한을 설정하여, 사용자가 특정 파일에 접근할 수 있도록 제어한다.
• 파일 복구: 시스템 충돌 등으로 인한 데이터 손실을 방지하기 위해 파일 복구 방법을 제공한다.

 

5. 보안 및 권한 관리 

커널은 시스템 자원에 대한 불법적인 접근을 방지하고, 사용자가 시스템 자원을 적절하게 사용할 수 있도록 보안을 유지한다.

• 사용자 인증: 시스템에 접근하려는 사용자를 확인하는 방법으로, 비밀번호, 생체 인식, 이중 인증 등을 사용한다.
• 권한 관리: 각 사용자나 프로세스가 접근할 수 있는 자원을 제한한다. 예를 들어, 파일에 대한 읽기, 쓰기, 실행 권한을 설정한다.
• 암호화: 데이터를 암호화하여 불법적인 접근으로부터 보호한다.
• 방화벽 및 침입 탐지 시스템: 외부의 악의적인 접근을 차단하고 시스템에 대한 공격을 탐지하여 보안을 강화한다.

 

 

 

 

📎  유저모드와 커널모드 전환, 시스템 콜의 동작 원리 

유저모드와 커널모드는 프로세스가 실행되는 2가지 기본 모드로, 서로 다른 권한 수준을 가지고 있다. 유저 어플리케이션이 시스템 자원이 직접 접근하는 것을 방지하고, 커널에 직접 영향을 끼칠 수 없도록 모드를 나눠 관리함으로써 안정성과 보안성을 강화하기 위해서 2가지 모드가 나누어 졌다. 

 

유저모드

유저 모드는 어플리케이션이 실행되는 모드로, 프로세스가 HW에 직접 접근하거나 시스템 자원에 접근할 수 없다. 

 

커널모드

커널 모드는 운영체제의 핵심 부분인 커널이 실행되는 모드로, 모든 시스템 자원에 접근할 수 있는 권한을 가진다. 즉, 유저모드와 달리 HW의 접근이나 자원 접근이 완전하게 가능하다. 

 

유저 <-> 커널 모드 전환

모드 전환은 시스템 콜 / 인터럽트 두 가지에 의해 발생한다. 

 

먼저 앞서말했듯이 시스템 콜은 유저모드에서 실행되는 프로그램이 운영체제의 커널모드에 요청을 보내는 것으로, 유저모드에서는 제한된 접근권한을 가지기 때문에 시스템 콜을 이용하여 커널 모드로 전환하고, 자원에 접근한다. 

 

1. 시스템 콜 요청 (User Mode)
   예를 들어, 파일을 열고자할때 유저 프로그램이 open() 함수를 호출한다.
2. 모드 전환 (User Mode → Kernel Mode)
   시스템 콜이 호출되면, 운영체제는 인터럽트를 사용하여 유저 모드에서 커널 모드로 전환합니다. 이 때 CPU는 현재 모드인 유저 모드에서 실행 중인 프로세스를 중단한다. 아때, 전환 과정에서 유저 모드에서의 중단 지점을 기억하기 위해  프로세스 컨텍스트가 저장된다. 
3. 커널 모드에서의 처리 (Kernel Mode)
   커널 모드로 전환되면, 시스템 콜을 처리하는 커널의 코드가 실행된다.
4. 모드 전환 (Kernel Mode → User Mode)
   커널이 작업을 처리한 후, 결과를 유저 프로그램에 반환한다. 그 후 다시 유저 모드로 전환되어 애플리케이션이 다시 실행된다. 커널은 이때 과정2에서 저장해둔 컨텍스트를 복원해 이전에 중단된 위치에서 실행을 재개할 수 있게 한다.
5. 시스템 콜 반환 (User Mode)
   유저 프로그램은 커널이 처리한 결과를 받게 되고, 이후 유저 모드에서 다시 작업을 계속 수행합니다.

 

예를 들어 파일을 열려고할때, 유저 프로그램은 open() 시스템 콜을 호출하고, 이 함수는 실제로 커널 모드에서 동작하는 시스템 콜 인터페이스를 통해 파일을 열고, 파일 디스크립터를 반환하여 파일을 찾는 과정을 가진다. 

 

 

 

 

 

📎  운영체제의 입출력 관리

 

1. 프로그램 입출력 (Programmed I/O, PIO)

프로그램 입출력은 CPU가 입출력 장치를 제어하며, 프로그램 속 명령어로 입출력을 수행하는 방식이다. 

 

이 경우, CPU가 입출력 장치의 상태 레지스터를 계속해서 확인(polling)하면서 입출력 장치가 준비될 때까지 기다리는 작업이 반복된다. 따라서 CPU가 입출력 과정 동안 레지스터들을 모두 알고있어야 하므로 다른 작업을 수행하지 못해 비효율적이다. 

 

2. 인터럽트 기반 입출력 (Interrupt-Driven I/O)

앞서 유저 모드에서 커널 모드로 전환할때 운영체제는 인터럽트를 사용한다고 했다. 인터럽트는 무엇일까 ? 

 

인터럽트는 컴퓨터 시스템에서 현재 실행 중인 프로세스나 명령을 잠시 중단하고, 중요한 이벤트나 작업을 처리하기 위한 신호라고 생각하면 된다. 기본적으로 인터럽트는 CPU의 실행 흐름을 중단시키고, 그 처리가 끝난 후 원래의 흐름으로 돌아가는 매커니즘을 가진다. 인터럽트는 신호를 보내는 주체에 따라 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나뉘며, 하드웨어 인터럽트에는 I/O 완료, 소프트웨어 인터럽트에는 시스템 콜 등이 있다. 따라서 이 목차에서는 하드웨어 인터럽트를 의미한다. 

 

앞서 말했듯이 프로그램 입출력 방식은 CPU가 입출력 과정을 계속 대기해야 해 비효율적이다. 반면 인터럽트 방식은 CPU가 입출력 장치가 준비될 때까지 기다리지 않고 다른 작업을 수행할 수 있도록 입출력 장치가 준비되면 인터럽트를 발생시키는 방식으로 진행된다. 

1. CPU가 입출력 장치에 입출력 요청을 보냄
2. CPU는 다른 작업을 수행 (입출력 장치가 준비될 때까지 기다리지 않고 다른 프로세스 수행)
3. 입출력 장치가 준비되면 인터럽트(Interrupt) 발생
4. CPU는 현재 실행 중인 작업을 중단하고 인터럽트 서비스 루틴(ISR, Interrupt Service Routine)을 실행
5. 데이터를 처리한 후, CPU는 원래 수행하던 작업을 계속 실행

다음과 같은 과정으로 전개되고, 인터럽트 방식은 인터럽트가 많이 발생한다면 CPU가 부하될 수 있다는 단점이 있다. 

 

이때 여러개의 인터럽트가 동시에 들어오는 경우는 어떻게할까 ? 시간 차가 있다면 들어온 순대로 처리하는 방식도 있겠지만, 보통은 우선순위 순서대로 처리하는 방식이 잘 쓰인다. 이때 PIC(programmable interrupt controller) 를 통해서 우선순위를 판단하고, 가장 높은 인터럽트를 CPU에게 알리고 그 뒤로 ISR이 실행되는 방식으로 전개된다고 한다. 

 

3. DMA (Direct Memory Access, 직접 메모리 접근)

앞선 두가지의 방식에는 공통점이 있다. 바로 CPU를 활용하는 것이다. 이때 CPU는 중요한 자원으로서 최대한 아껴써야 하는 것은 당연한 사실이다. 따라서 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식인 DMA(Direct MEmory Access)가 등장했다. 

 

DMA는 이름처럼 CPU가 개입하지 않고, 입출력 장치가 직접 메모리와 데이터를 교환한다. DMA 컨트롤러가 존재해, 메모리와 입출력 장치 사이의 데이터를 관리한다. 

1. CPU가 DMA 컨트롤러(DMAC) 에게 입출력 요청
2. DMA 컨트롤러가 메모리와 입출력 장치 간의 데이터 전송을 직접 수행
3. 데이터 전송이 완료되면 DMA 컨트롤러가 인터럽트를 발생 시켜 CPU에게 완료를 알림
4. CPU는 인터럽트를 받아서 필요한 후처리 수행

다음과 같은 과정으로 DMA 방식은 CPU의 부하 없이 입출력을 가능케 한다. 

 

 

 

 

📎  동기식/비동기식 I/O의 차이와 활용 사례

앞선 목차에서는 입출력을 관리하는 세가지 방식에 대해서 알아보았다면, 입출력을 수행하는 방식에는 동기식 / 비동기식 두가지가 있다. 

 

동기 / 비동기는 다른 곳에서도 자주 쓰이는 개념이지 간략하게만 다시 적고 넘어가보자. 

• 동기 : 어떤 작업이 진행될 때, 해당 작업이 끝날 때까지 다음 작업이 대기하는 방식
• 비동기 : 요청을 보낸 후 즉시 다음 작업을 수행할 수 있으며, 결과가 준비되면 나중에 처리하는 방식

 

동기식 I/O (Synchronous I/O)

동기식 입출력은 그 이름처럼 CPU가 입출력을 요청해 입출력이 이루어지는 동안, 다른 작업을 실행하지 않고 대기하는 방식을 의미한다. 이러한 동기식은 CPU가 입출력 작업 동안 대기해야하며, 입출력 속도가 느린 경우 전체적으로 시스템 성능이 저하될 수 있다는 문제가 있다. 

 

DB 트랜잭션이나 CLI 프로그램 같이 순서나, 요청 - 응답 의 구조가 반복되어야 하는 프로그램에서 쓰인다. 

 

비동기식 I/O (Asynchronous I/O)

비동기식 입출력은 CPU가 입출력 요청을 보낸 후, 입출력 작업이 완료될 때까지 기다리지 않고 다른 작업을 수행하는 방식이다. 입출력 작업이 완료되면 인터럽트를 통해 CPU에 알린다. 

 

이를 통해, CPU는 대기하지 않고 다른 프로세스를 실행할 수 있어 자원 활용도가 높다. 

 

GUI 어플리케이션이나 서버, 스트리밍과 같이 빠른 응답과 실시간 처리가 중요한 곳에서 비동기 입출력이 쓰인다.

 

📎  멀티프로그래밍, 시분할 시스템, 멀티프로세싱 개념 

운영체제는 CPU와 시스템 자원을 어떻게 활용하는지에 따라 여러 가지 방식으로 분류된다. 대표적으로 시분할 시스템, 멀티프로그래밍 시스템, 대화형 시스템, 멀티프로세싱 시스템이 있다.

 

멀티프로그래밍 시스템

하나의 CPU가 여러 개의 프로그램을 메모리에 동시에 올려놓고 CPU가 항상 사용되도록 실행하는 방식이다.

 

하나의 프로그램이 입출력 작업을 수행하는 동안 CPU가 쉬지 않도록, 다른 프로그램이 CPU를 사용할 수 있도록 한다. 이를 통해 CPU 활용도를 최대로 할 수 있다. 그러나 프로세스 간의 문맥 교환이 발생하므로 스케줄링의 효율성이 중요하다. 

 

이 멀티프로그래밍 시스템이 도입되면서 등장하는 용어가 다음과 같다. 

• 문맥 교환
• CPU 스케줄링
• 인터럽트
• 교착상태

 

멀티프로세서 시스템

두 개 이상의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에(병렬적으로) 실행하는 방식이다.

 

이를 통해 시스템의 처리 속도가 향상되고 대용량 데이터를 빠르게 처리할 수 있다. 또한 프로세서 간의 부하를 분산하여 안정성을 높일 수 있으며, 한 개의 CPU에 장애가 발생해도 다른 CPU가 대체할 수 있어 신뢰성이 높다. 이러한 방식은 고성능 서버, 슈퍼컴퓨터, 병렬 컴퓨팅 환경에서 주로 사용된다. 

 

시분할 시스템

하나의 CPU를 여러 사용자가 짧은 시간 단위로 번갈아가며 사용하도록 하는 방식이다.

 

CPU가 프로그램 수행 시간을 아주 짧게 나누어 각 프로세스에 할당하며, 빠르게 전환되기 때문에 여러 사용자가 동시에 작업하는 것처럼 보인다. 결국 다중프로그래밍의 확장 버전이다. 이를 위해 운영체제는 타임 슬라이스라고 불리는 일정한 시간 단위를 설정한다. 각 프로세스는 타임 슬라이스 동안 CPU를 할당받아 실행되며, 이 시간이 지나면 선점형 스케줄링을 통해 강제로 다음 프로세스로 전환된다.

타임 슬라이스의 길이는 시스템 성능과 응답 속도에 영향을 미친다. 타임 슬라이스가 너무 짧으면 문맥 전환이 자주 발생하여 오버헤드가 증가하고, 반대로 너무 길면 한 프로세스가 CPU를 독점하여 대기 중인 프로세스의 응답 시간이 길어질 수 있다.

 

대화형 시스템

사용자가 시스템과 실시간으로 상호작용할 수 있도록 하는, 즉 사용자 입에서 결과가 바로 보이는 방식이다.

 

사용자의 입력을 즉시 처리하여 결과를 빠르게 반환해야 하므로 짧은 응답 시간이 중요하다. 주로 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 기반으로 운영되며, 사용자가 직접 입력을 수행하면 즉각적인 반응을 제공한다.

 

 

 

 

 

참고자료

[컴퓨터 구조] 인터럽트와 DMA를 이용한 I/O