[운영체제] 운영체제 일반

개요

오늘날의 운영체제는 대형 컴퓨터부터 MS-DOS 라는 운영체제 기반의 일반 PC까지 다양한 컴퓨터에서 사용되고 있습니다.

일반인이게 가장 유명한 마이크로 소프트사의 윈도우가 등장하기 이전에도 운영체제는 존재하였는데,

1960년대에는 운영체제는 단지 하드웨어를 제어하는 소프트웨어로 생각했습니다.

 

그러다 1980년 대에는 소프트웨어를 펌웨어(Firmware), 즉 마이크로 코드로 전환시켰습니다.

운영체제(Operating System)란 하드웨어를 사용할 수 있게 하기 위해 소프트웨어나 펌웨어로 작성된 프로그램이라고 정의할 수 있습니다.

 

운영체제는 사용자 인터페이스 정의, 하드웨어의 공동 사용, 데이터 공유, 자원 스케쥴링, 입출력 보조역할, 에러 처리 역할을 수행합니다.

이중에서 운영체제가 관리하는 주된 자원으로는 프로세서, 기억장치, 입출력장치, 데이터 4가지가 있습니다.

 

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시대별 운영체제의 발전

연도	구분	설명
1950년대	1세대 운영체제	- 작업 간의 전이를 원활히 하도록 설계, - 일괄처리 시스템(Batch Processing System)의 기원이 됨. - 진행 중인 작업의 종료 시 제어권을 다시 운영체제가 받아 다음 작업의 작동을 시작시킴
1960년대	2세대 운영체제	- 분할시스템, 다중프로그램, 다중 처리의 개발 - 여러 사용자 프로그램들이 주기억 장치에 공존하며 작업 사이에 프로세스가 할당되었다가 반환되는 프로세스 - 한 컴퓨터 시스템에 여러 개의 여러 개의 프로세서가 사용됨. - 기기 독립성(device independence)라는 개념이 등장
1960년대 후반 ~ 1970년대 중반	3세대 운영체제	- 다중 모드 시스템 - 일괄처리, 시분할 처리, 실시간 처리, 다중처리 제공 - UNIX 시스템 - 간단한 작업을 수행할 때도 복잡한 작업 제어 언어(Job Control Language)를 사용해야 함.
1970년대 후반 ~ 현재	4세대 운영체제	- 마이크로 프로세서의 등장 - 개연용 컴퓨터 개발을 촉진 - 통신 인터페이스를 갖추어 멀리 떨어진 다른 시스템과 통신 가능 - 정보 암호화의 필요성 대두 - 데이터 베이스 시스템의 등장

 

 

다중 프로그래밍(Multi-Programming)

CPU 작업과 입출력 작업을 병행하는 것

 

컴퓨터를 사용하는 단일 사용자는  CPU와 입출력 장치를 항상 바쁘게 만들수 없습니다.

 

따라서, 컴퓨터가 수행하는 일 즉 작업(Job, Task)에 대한 관리(= 잡스케줄링, Job Scheduling) 를 효율적으로 하여 CPU로 하여금 유휴 상태에 놓이지 않도록 하는 것이 가장 중요한 과제 입니다.

다중 프로그래밍이 적용되지 않은 시스템에서는 작업이 없을 경우에는 CPU가 유휴 상태로 놓이게 되는데, 이는 곧 CPU라는 비싼 자원의 낭비라는 결과를 초래합니다.

 

다중 프로그래밍은 운영체제가 CPU와 같은 자원을 다른 작업에 할당해주었다가 다시 회수하는 방식으로 CPU를 사용하게 합니다.

그렇기에 다중 프로그래밍 체계 안에서는  컴퓨터가 해야할 작업이 있는 상태라면 CPU를 계속 사용하게 되므로 유휴 상태가 되는 상황을 최소화할 수 있습니다.

 

*유휴 상태 : 컴퓨터 시스템이 사용 가능한 상태이나 실제적인 작업이 없는 시간.

 

fig 1.0.  다중 프로그래밍(Multi-Programming)

 

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시분할 시스템 (Time-Sharing)

CPU 스케줄링과 다중 프로그래밍을 이용해서 각 사용자들에게 컴퓨터 자원을 시간적으로 분할하여 사용할 수 있게 하는 시스템

 

시분할 시스템이 등장한 배경은 사용자들로 하여금 단말기를 통해 직접 대화를 할 수 있도록 하려는 시도에서 탄생하게 되었습니다.

시분할 시스템은 사용자에게 다양한 계산 기능을 제공하여 프로그램의 개발과 특수 목적의 응용 패키지 생성을 할 수 있도록 개발 환경을 제공해주었습니다.

그리고 이러한 확장성은 사용자들간에 프로그램과 데이터를 공유할 수 있다는 커다란 이점 및 생산성, 창의력을 발휘할 수 있는 디딤돌이 되었습니다.

 

시분할 시스템과 비교되는 시스템으로는 배치 처리 시스템이 있는데, 배치 처리 시스템의 경우 특정한 작업을 지시하면 그 작업이 수행될 때까지 컴퓨터와 어떤 상호작용 즉 ‘대화’를 할 수 없다는 단점이 있습니다. 

따라서 작업을 지시한 이후 오랜 시간이 지나야 작업에 대한 결과를 확인할 수 있다는 단점이 존재하였습니다.

또한, 배치 처리 시스템에서는 오류의 수정을 위해 실행중인 프로그램을 변경할 수 없으며, 프로그램 실행 자체에도 긴 반환시간(turnarround time) 때문에 다양한 경우의 수를 일일히 테스트해가며 프로그램을 보완하기 어려운 구조를 가지고 있었습니다.

그래서 배치 처리 시스템에서는 프로그램 실행 후 사용자와 대화 즉 수정이나 추가 작업 지시와 같은 추가 명령이 필요로 하지 않는 프로그램을 실행하는 것에 적합합니다.

 

시분할 시스템에서는 이러한 단점을 보완하여 컴퓨터가 작업을 수행하는 과정을 시간 단위로 나누어 진행하면서, 부수적으로 컴퓨터와 대화하듯 작업을 지시할 수 있게 하였습니다.

시분할 시스템에서는 다중 프로그래밍 기술과 CPU 스케줄링 기술을 활용하여 각 사용자에게 컴퓨터를 일정 시간 단위로 분할하여 조금씩 나누어 주는 방식으로 컴퓨터 자원을 관리합니다.

 

시분할 시스템에서 프로그램은 실행될때 입출력을 수행하고자 하거나 종료전에 아주 적은 동안만 실행됩니다.

입출력이 필요한 프로그램, 가령 키보드로 입력을 받거나 화면에 데이터를 출력해야 하는 작업의 경우 CPU가 다른 연산을 하는 작업에 비하면 그 ‘속도’가 매우 느립니다.

 

따라서, 시분할 시스템에서는 이 경우에 CPU를 놀리지 않고 다른 사용자의 프로그램에게 할당해주어 입출력이 진행중인 동안에도 CPU라는 비싼 자원이 유휴상태에 놓이지 않도록 관리합니다.

 

시분할 시스템으로 인해 컴퓨터는 더 많은 사용자들이 하나의 컴퓨터를 사용할 수 있도록 할 수 있었습니다.

이 시스템에서 운영체제는 자원을 시간 단위로 빠르게 전환하는 작업을 수없이 수행하는데, 이 속도는 사람이 인지할 수 없을 만큼 매우 신속하게 진행되기 때문에 사용자는 하나의 컴퓨터가 여러 사용자의 작업을 동시에 처리하고 있다고 생각하게 합니다.

 

fig 1.1.  시분할 시스템 (Time-Sharing)

 

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하드웨어(Hardware)

하드웨어는 컴퓨터 시스템을 물리적으로 구성하는 각종 기기로 구성되어 있습니다.

대표적인 구성요소로는 프로세서, 기억장치, 입출력 장치, 그리고 이러한 구성요소를 연결하는 접속 기기 등으로 구성됩니다.

 

컴퓨터 하드웨어에 적용된 대표적인 기술은 다음과 같습니다.

 

 

메모리 인터리빙(Storage Interleaving)

주기억 장치를 엑세스하는 속도를 빠르게 하는데 사용되는 기술입니다.

인접한 메모리 위치를 서로 다른 메모리 뱅크(Memory Bank)에 둠으로써 동시에 여러 곳을 액세스할 수 있도록 합니다.

 

 

*메모리 뱅크(Memory Bank) : 데이터가 프로세서에 지속적으로 흘러들어갈 수 있도록 순차적으로 작동하는 기억 장치 내부의 분할된 구역이다. 메모리와 CPU 사이의 데이터 전송을 빠르게 하기 위해 사용함.

 

2중 인터리빙은 홀수 번지의 주소를 가진 메모리를 하나의 뱅크에 짝시 번지의 주소를 가진 메모리를 하나의 뱅크에 배치하는 기법입니다.

이러한 방식의 장점은 서로 다른 뱅크(bank)에 존재하는 메모리라도 동시에 접근할 수 있다는 장점을 가질 수 있습니다.

 

 

재배치 레지스터(Relocation Register)

수행중인 프로그램을 다른 곳으로 옮길 수 있도록 하는 기술입니다.

 

컴퓨터의 주 기억장치에 적재된 프로그램은 기본주소(base address)라는 것을 가지게 됩니다. 기본 주소는 컴퓨터 프로그램이 위치한 고유한 주소인데, 이것이 그대로 노출되게 된다면 보안상 매우 위험한 취약점이 될 수 있습니다.

 

이때,  재배치 레지스터라는 것을 통해 컴퓨터에서 실행할 프로그램의 주소를 기억하게 되는데, 프로그램이 실행될 때마다 계속해서 새롭게 생성된다는 특징을 가지고 있습니다. 따라서, 실제 컴퓨터의 기본 주소를 은닉할 수 있으며, 재배치 레지스터에 기억된 내용을 활용하여 실제 프로그램이 위치한 주소를 계산하기에 컴퓨터 프로그램이 마치 첫번째 주소부터 프로그램에 메모리를 할당하는 것처럼 사용할 수 있게 합니다.

fig 1.2. 메모리 인터리빙(Memory Interleaving)

 

 

폴링(polling)

하나의 장치가 별도의 자신과 관계 없이 기능을 수행하는 장치의 상태를 검사하는 방법입니다.

 

어떤 프로그램을 실행하기 위해 여러개의 장치가 필요하다고 할 때, 각 장치는 프로그램의 다음 단계로 넘어갈 때 필요로 하는 장치의 문제 여부를 확인하고 작업을 계속하는 것입니다.

 

 

fig 1.3.  폴링(polling)

 

 

인터럽트(interrupt)

어떤 장치가 다른 장치의 일을 잠시 중단시키고 자신의 상태 변화를 알려주는 것입니다.

인터럽트가 발생하면 그 때까지의 자신의 상태를 기억시키고 인터럽트 처리를 진행하게 됩니다.

 

 

버퍼링(buffering)

버퍼(buffer)란 입출력이 일어나는 동안 그 데이터를 저장하는 주기억 장치의 일부입니다.

입출력의 속도는 입출력 작업을 처리하는 프로세서의 수행속도보다 입출력 장치 자체의 속도에 큰 영향을 받습니다.

또한 데이터가 담긴 버퍼(buffer)에는 입출력 장치와 프로세서 모두 접근할 수 있는데, 컴퓨터 시스템에서 하나의 버퍼에 여러개의 장치가 접근할 수는 없습니다.

 

따라서, 만약 어떤 프로그램이 가진 버퍼가 단 하나이고 입출력 작업과 프로세싱(작업의 처리) 과정이 동시에 존재한다면 입출력 과정이 진행중일 때에는 프로세서가 버퍼에 담긴 데이터를 처리하는 작업을 수행할 수 없습니다.

 

이러한 작업의 비효율을 개선하기 위해 최소 2개 이상의 버퍼를 두어 첫번째 버퍼에서는 입출력 과정이 끝난 뒤 두번째 버퍼로 이동하면 프로세서는 첫번째버퍼를 참조하여 데이터에 대한 처리를 수행할 수 있습니다.

 

그리고 이러한 방법을 플립 플롭 버퍼링(flip-flop buffering)이라고 합니다.

 

fig 1.4. 플립 플롭 버퍼링(flip-flop buffering)

 

 

 

 

입출력 채널(IO channel, input/output channel)

컴퓨터 프로그램에서 입출력이 일어나는 동안 프로세서가 거기에 매여 있어 다른 일을 하지 못하는 점을 보완하기 위해 개발된 기술입니다.

 

입출력 채널은 프로세서와는 독립적으로 입출력 과정만을 제어하기 위한 특수한 목적으로 개발된 컴퓨터 시스템입니다.

입출력 채널은 정보를 저장하거나 검색하기 위하여 주기억 장치에 직접 액세스할 수 있는데, 이렇게 주기억 장치에 직접 접근하는 것을 DMA(Direct Memory Access)라고 합니다.

 

입출력 채널은 프로그램에 의해 입출력 명령을 받으면 입출력 작업을 수행하고 입출력 과정이 끝나면 프로세스세에게 입출력이 완성되었음을 알리는 ‘인터럽트(Interrupt)’를 발생시킵니다.

 

입출력 채널은 컴퓨터 프로세서로 하여금 여러 하드웨어를 동시에 사용 가능하도록 해주고 프로세서가 입출력 작업에 귀속되지 않도록 하는 ‘독립성’을 보장해주는 장점을 가집니다.

 

fig 1.5. IO Channel

 

이러한 입출력 채널은 한번에 다룰 수 있는 주변 장치의 개수에 따라 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

 

입출력 채널(I/O channel)	설명
선택 채널(selector channel)	한 개의 보조 채널만을 가지고 있어 한번에 단 하나의 주변기기를 서비스할 수 있는 시스템
멀티 플렉서 채널 (multiplexor channel)	여러 개의 보조 채널을 가지고 있어 한번에 여러 개의 데이터열(=stream)을 인터리빙 할 수 있음

 

 

만약 채널와 프로세서가 동시에 주기억 장치를 액세스 하려고 하면 문제가 발생할 수 있습니다.

이 경우에는 채널에 우선순위를 높게 주는데, 채널이 주기억 장치를 액 세스 하는 동안에는 주기억 장치를 사용하지 못하고 잠시 쉬어야 하는 상황에 놓이게 됩니다.

 

그리고 이러한 상태를 사이클 스틸링(cycle stealing)이라고 부릅니다.

채널은 적은 양의 사이클을 필요로 하므로 채널에게 우선순위를 높여주면 입출력 장치의 효율을 높일 수 있습니다.

 

 

 

다중처리(multiprocessing) 시스템

여러 개의 프로세서가 주기억 장치와 운영체제를 공동으로 사용하는 것입니다.

액세스에 대해서는 일정한 순서를 정하여 차례대로 수행합니다.

 

 

 

DMA(Direct Memory Access)

컴퓨터 시스템에서 효율을 높이는 방법은 컴퓨터 프로그램 실행시 발생할 수 있는 인터럽트의 수를 최소화하는 것입니다.

가령 한 블록에 글자들을 입출력 할 때에는 한번의 인터럽트만 있으면 되는 방식으로 효율성을 제고할 수 있습니다.

 

입출력 작업이 시작되면 채널이 사이클 스틸링 기술을 통해 데이터를 직접 주기억 장치로 전송합니다. 채널이 스틸링을 하는 동안 프로세서는 주기억장치를 채널에 양보하면서 틈틈이 하던 일을 계속 진행합니다.

 

DMA 기술은 입출력량이 아주  많은 대형 시스템에서 채택하는 기술이며, 입출력 장치를 운영하고 사이클 스틸링을 맡아서 처리하는 곳을 DMA 채널이라고 합니다.

 

 

 

가상기억장치 시스템

프로그램이 주기억장치에서 사용 가능한 실주소(real address)와는 관계가 없는 가상의 주소를 참조할 수 있도록 하는 시스템입니다.

컴퓨터 프로그램이 실행되며 생겨나는 다양한 가상 주소 값은 하드웨어에 의해 즉시 주기억 장치 내의 명령문과 데이터의 주소로 변환됩니다.

따라서 프로그래머와 같은 사용자는 기억 장치의 용량에 대해서 염려할 필요가 없습니다.

이러한 기억 장치를 효율적으로 사용하기 위한 전략으로는 페이징(paging) 기법과 세그먼트(segment) 기법이 있습니다.

 

기억장치 계층구조는 주기억장치, 보조기억장치, 캐쉬(cache)로 구성됩니다.

 

프로그램이 수행되기 위해서는 반드시 프로그램이 주기억 장치에 적재되고, 액세스할 수 있어야 합니다. 

보조기억 장치는 필요에 따라 주기억장치로 데이터를 이동시켜 액세스할 수 있습니다. 캐시는 프로그램의 수행속도를 높이기 위해 추가된 빠른 기억 장치입니다. 주로 CPU와 물리적으로 인접한 위치에 있으며, 속도가 매우 빠르지만 용량은 매우 작다는 단점이 있습니다. 

 

저장용량에 대한 순위를 나열하자면 보조기억장치, 주기억장치, 캐쉬 순이지만

데이터에 대한 접근 속도에 대해 순위를 나열하면 캐쉬, 주기억장치, 보조기억장치 순입니다.

 

 

 

파이프라인(pipeline)

시스템의 효율을 높이기 위해 명령문을 수행하면서 몇 가지의 특수한 작업들을 병렬 처리 하도록 설계한 하드웨어 입니다.

 

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소프트웨어(Software)

소프트웨어란 주어진 문제를 해결하기 위한 알고리즘을 하드웨어에 정의하는 명령문과, 각종 데이터를 가진 프로그램으로 이루어 집니다.

 

소프트웨어를 만들기 위해 다양한 프로그래밍 언어(Programming Language)가 개발되었고 프로그램 개발에 사용되었습니다.

 

 

 

기계어(Machine Language)

컴퓨터가 직접 이해할 수 있는 언어로서 기계어 명령어는 하드웨어에 의해 판독되어 주어진 기능을 수행합니다.

컴퓨터 기종에 따라 서로 다르게 설계되어 있다는 특징을 갖는데 이를 ‘기계 종속성’이라고 합니다.

 

 

 

어셈블리어(Assembly Language)

기계어를 의미있는 기호로서 대치한 것입니다.

컴퓨터가 곧바로 이해할 수 없기 때문에 어셈블리어를 컴퓨터가 이해하기 위한 기계어로 번역해주는 번역기도 개발되었습니다.

 

어셈블리어는 이를 작성하기 용이하게 하기 위하여 마이크로 프로세서(microprocessor)를 개발해 함께 사용하고 있습니다.

마이크로 프로세서에서는 어셈블리어를 더 편하게 사용하기 위해 마이크로 명령문이라는 것을 제송하는데 이는 몇 개의 어셈블리어로 수행되어야만 하는 작업의 이름을 프로그래머가 지정해줄 수 있도록 하는 기술입니다.

이는 고급 프로그래밍 언어에서의 함수(function)와 유사한 기능을 수행하고, 마이크로 프로세서에 의해 어셈블리어는 확정될 수 있는데 이를 마크로 확장이라고 합니다. 마크로 확장이 된 마크로 명령문은 나중에 그 작업명에 해당하는 어셈블리어의 명령어로 대체됩니다.

 

 

 

고급언어(High Level Language)

프로그래머가 컴퓨터의 기종과 관계 없이 프로그램을 작성할 수 있도록 합니다.

고급언어를 기계어로 번역해주는 소프트웨어를 컴파일러(Compiler)라고 합니다.

 

고급 언어를 사용한 프로그래밍 과정에서 입출력 과정이 필요로 할 경우 사용자들로 하여금 입출력을 간단히 하기 위하여 입출력 관리 시스템이라는 것을 사용할 수 있습니다.

 

이때 입출력 관리 시스템은 입출력 관리 시스템의 목적코드를 저장해두고 사용자들은 그 주소를 지정만 해주면 입출력 관리 시스템이 마치 프로그램 내에 입출력 기능이 있는 것처럼 사용할 수 있도록 해줍니다.

 

 

 

스풀링(spooling)

프로그램이 프로세서에 의해 수행되는 속도와 프린터 등의 주변 장치로 데이터를 출력하는 속도는 엄청난 차이가 있습니다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 시스템 중 하나가 스풀링(spooling)입니다.

스풀링은 디스크에 입출력할 자료를 임시로 보관합니다.

 

즉 출력을 필요로 할 경우 출력할 데이터를 만날 때마다 프린터로 보내서 출력시키는 것이 아닌 일단 디스크에 보내는 것으로써, 서로 다른 작업 속도를 갖는 하드웨어의 효율성을 높일 수 있습니다.

 

 

 

인터프리터(Interpreter)

컴파일러나 어셈블러처럼 목적 프로그램을 한번에 생성하는 방식이 아닌 원시 프로그램을 한 문장씩 직접 실행시키는 방식입니다.

 

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참고자료

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%8B%A4%EC%A4%91_%ED%94%84%EB%A1%9C%EA%B7%B8%EB%9E%98%EB%B0%8D

다중 프로그래밍 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%8B%9C%EB%B6%84%ED%95%A0_%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C

시분할 시스템 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://www.javatpoint.com/what-is-interleaved-memory

What is Interleaved Memory - javatpoint

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC_%EB%B1%85%ED%81%AC

메모리 뱅크 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

김완규, 고정국, 진광윤, 최신형, 하성권, 허덕행 | 핵심 운영 체제론 | 두양사