[Chapter 02] Operating System Structures

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1️⃣ 운영체제 서비스

💙 운영체제

• 운영체제
  • 개발자 → 프로그램 실행 환경을 제공
  • 프로그램 및 사용자 → 서비스 제공

  

  • user interfaces
  • system calls
    • OS의 커널모드로 동작하는 중개자 역할 수행
  • services
    • 여러 편리한 환경 제공

💙 사용자 업무 서비스 (User view)

• 프로그램 및 사용자(프로그래머) 에게 제공하는 OS 서비스
  • 사용자 인터페이스(UI)
    • 명령어 라인 인터페이스 (CLI: Command Line Interface)
    • GUI
    • 배치 인터페이스
  • 프로그램 실행 기능 (순서)
    1. 프로그램 메모리에 적재
    2. 해당 프로그램 실행
    3. 정상 or 비정상 방식으로 종료 (오류 시 알려주기)
  • I/O 작업 기능
    • 프로그램 실행에서 입출력 요구 시, 입출력 실행 수단을 필히 제공
  • 파일 시스템
    • 파일 조작, 관리 수행
  • 통신 기능
  • 오류 감지 기능
  → 각 부분을 담당하는 관리 부서 존재
• (ex. 통신 관리 부서, 오류 감지 관리 부서)

💙 시스템 자원 서비스 (System view)

• 시스템의 자원을 공유하여, 시스템 자체의 효율을 위한 기능
  • 자원 할당
    • 다수의 사용자 또는 다수의 작업 동시 실행이 있을 때, 각각에게 자원을 할당
    • 자원의 종류
      • CPU 사이클, 메인 메모리, 파일 저장장치, I/O 장치…
  • 회계
    • 어떤 사용자가 어떤 종류의 자원을 얼마나 많이 사용하는지 추적
  • 보호 및 보안 기능
    • 보호
      • 파일이나 자원에 대한 모든 접근 권한 권리
      • 다중 사용자 또는 네트워크 컴퓨터 시스템에 저장된 정보의 소유자는 해당 정보의 사용을 제어 할 수 있어야 함
      • 병행 프로세스는 서로 간섭하지 않아야 함
    • 보안
      • 외부로부터 시스템 보안 유지 위해 사용자 인증
      • 잘못된 접근으로부터 외부 I/O 장치를 보호

💙 운영체제 서비스 中 사용자 인터페이스 (UI)

• 사용자 인터페이스 종류
  1. 명령어 라인 인터페이스 (CLI: Command Line Interface)
     • CLI나 명령어 해석기를 통해 사용자로부터 명령어를 직접 입력
       • CLI는 커널 or 시스템 프로그램으로 구현  
         • 커널에 구현 → 명령 해석기 자체가 명령 실행코드를 가짐
         • # Shell
           • 명령어 해석기
           • 사용자가 입력한 명령어를 커널로 전달
           • 커널로 전달시, 커널이 이해할 수 있는 기계어로 통역
           • 종류 여러개
             • Bash($,#), Bourne Shell($, #), csh(%)…
  2. GUI
     • 사용자 친화적인 상징 인터페이스

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2️⃣ 시스템 콜

💙 시스템 콜

• 시스템 콜: OS가 제공하는 서비스에 대한 인터페이스를 사용자에게 제공
  • OS에서 프로그램이 구동되는데 있어 파일을 읽어 오거나, 파일을 쓰거나, 혹은 화면에 메시지를 출력하는 등 많은 부분에서 커널 모드를 사용
  • 시스템 콜은 이러한 커널 영역의 기능을 사용자 모드가 사용 가능하게 함

💡 즉, 프로세스가 하드웨어에 직접 접근해서 필요한 기능을 사용할 수 있게 해줌.

• 고급 언어 (C or C++) 로 작성됨
• 대부분 “직접” 시스템 콜 사용 대신 “고수준 API” 를 통해 시스템 호출에 접근
  • 고수준 API(Application Programming Interface)란?
    • 함수의 형태
    • System call 들을 함수로 정의해 둠
    • ∴ 매개변수, 반환값(return 값)등을 포함해야만 사용 할 수 있음
    • 각 함수의 매개변수와 반환값을 포함 → 개발자가 사용 가능한 함수의 집합을 명시
    • API를 호출하면, 해당 System call을 호출해 다시 API에 돌려줌
    • ex. 기상청의 소프트웨어 시스템에는 일일 기상 데이터가 들어 있음. 휴대폰의 날씨 앱은 API를 통해 이 시스템과 "대화"하고 휴대폰에 매일 최신 날씨 정보를 표시함.

💡 사용자 프로그램이 운영체제가 제공하는 서비스에 접근하고자 함 → 이때, API를 사용 → API를 통해, 시스템 콜을 요청하여 운영체제 서비스의 기능을 수행

• 시스템 콜 API의 대표 종류
  • Windows 용 Win32 API
  • POSIX 기반 시스템 용 POSIX API (거의 모든 버전의 UNIX, Linux 및 M ac OS X 포함)
  • JVM (Java virtual machine) 용 Java API

💙 시스템 콜 예시

• 파일 복사때 필요한 시스템 콜 호출 순서

  

💙 표준 API의 사례

• 유닉스 & 리눅스의 read()

💙 시스템 콜의 구현

• 시스템 콜의 종류는 여러가지
  • ex. 키보드의 값 입력, 모니터 출력, 하드디스크에 파일을 만들고 read, write 동작…etc
• 각 시스템 콜에는 번호(index)가 매겨져 있음
  • 시스템 콜 인터페이스는 ‘시스템 콜 테이블’을 관리
• 시스템 콜 인터페이스
  • OS 커널 내에 있는 요청된 시스템 콜을 호출
  • 시스템 콜의 종료 상태 및 반환 값을 반환함
  • 운영체제가 제공하는 시스템 콜과 API의 연결 고리
  • 시스템 콜 = 소프트웨어 인터럽트: 프로그램 내에서 하드웨어 자원을 이용하고자 함

  

  • API – 시스템 콜 – OS의 상호관계
    1. open() 이란 시스템 콜이 들어옴
    2. 시스템 콜이 정당한지 체크, 정당하면 kernel 모드로 전환
    3. 하드 디스크의 ISR에서 read()를 처리, 그 결과 값을 사용자에게 보여줌
    4. kernel 모드가 user모드로 바뀜
       • 장치파일을 오픈하는게 권한이 있으면 kernel 모드가 됨
       • user 모드와 kernel 모드가 switch

💙 시스템 콜 특징

• 개발자는 시스템 콜의 구현에 대해 알 필요가 없다 (너무 복잡하기 때문)
• 개발자는 API를 제대로 사용 + OS가 시스템 콜의 결과로 한 작업을 이해하기만 하면 됨
• OS 인터페이스의 상세 사항은 API에 의해 개발자에게는 숨겨짐
  • 런타임 지원 라이브러리에 의해 관리됨
• 예산: 자원, 정부: OS, 주민센터: 인터페이스, 시스템 콜: 공무원, 개발자: 민원 접수인

💙 시스템 콜에 파라미터 전달하기

• 시스템 콜 매개변수 전달하는 종류, 양 → OS와 시스템 콜에 따라 다름
  1. 매개변수를 레지스터에 전달 (가장 간단)
     → 매개변수의 갯수가 CPU 내의 총 레지스터 개수보다 많을 수 있음
     → but, 레지스터가 너무 작고, 다른 할 일이 많음
  2. 블럭의 메모리 주소가 레지스터에 매개변수로 전달 (메모리에 실제 매개변수 저장 후 메모리의 주소를 레지스터에 저장한 뒤, 매개변수로 전달)
  3. 스택에 넣어지고 운영체제가 꺼내는 방법OS에 매개변수를 전달하는 일반적인 3가지 방법
     → 1번은 매개변수 길이 제한 있음. 2,3번은 없음.
• 테이블을 통한 매개변수 전달 (2번 방법)

• 메모리: 매개변수를 저장, 레지스터: 매개변수의 주소 값 가짐
• User program에서 X의 주소를 레지스터로 로드하고, 시스템 콜을 호출함
• OS의 시스템 콜의 코드 부분으로 레지스터가 X의 주소를 넘겨줌

💙 시스템 콜의 유형 = 운영체제가 하는 서비스 (시스템 콜을 어떨 때 사용하는가?)

• 프로세스 제어
  • 프로세스 생성, 종료
  • 프로세스 끝내기, 중지
  • 적재 (메모리에 로드), 실행 (CPU에서 실행)
  • 프로세스 속성 획득 및 설정
  • 일정 시간 동안 기다리기
  • 사건을 기다리기, 사건을 알림
  • 메모리 할당, 메모리 반환
  • 프로세스가 공유하는 데이터 접근을 관리하기 위한 락(lock)
• 파일 관리
  • 파일 생성, 삭제
  • 파일 열기, 닫기
  • 읽기, 쓰기, 위치 변경
  • 파일 속성 획득 및 설정
• 장치 관리
  • 장치 요청, 장치 해제
  • 읽기, 쓰기, 접근 위치 재 조정
  • 장치 속성 획득 및 설정
  • 논리적으로 부착 및 분리
• 정보 유지 관리 (대부분 kernel 모드에서 가능)
  • 현재 시간 및 날짜 획득 및 설정
  • 시스템 날짜 획득 및 설정
  • 프로세스, 파일, 및 장치 속성 획득 및 설정
• 통신
  • 통신 연결 생성, 삭제
  • 메시지 전달 모델을 사용한다면 호스트 이름 또는 프로세스 이름을 명시하여 메시지 송신 또는 수신
    → 클라이언트에서 서버로
  • 공유-메모리 모델의 경우에는 메모리 영역 생성 및 접근 권한 획득
  • 상태 정보 전송
  • 원격 장치의 부착 및 분리
• 보호
  • 자원에 대한 접근 제어
  • 권한 획득 및 세팅
  • 사용자 접근 허용 및 거부

💙 Windows와 Unix의 시스템 콜 예

• 시스템 콜은 기능은 같지만, 운영체제에 따라 이름, 매개변수 종류, 리턴 타입도 다름
• 개발하고자 하는 운영체제에 맞는 시스템 콜을 사용해야 함

💙 표준 C 라이브러리 사례

• 표준 C 라이브러리는 시스템 호출 인터페이스를 제공
  • printf() 함수는 내부적으로 write() 시스템 콜을 호출

 

💙 시스템 프로그램

• User가 설치하지 않아도 OS가 가지고 있는 프로그램
• 프로그램 개발 및 실행을 편리하게 할 수 있는 환경을 제공
• ex. 작업 관리자, 메모장
• 시스템 유틸리티
  • 파일 관리
  • 상태 정보
  • 프로그래밍 언어 지원: 컴파일러, 어셈블러, 디버거
  • 프로그램 적재 및 실행: 로더
  • 통신
  • 백그라운드 서비스
  • 응용프로그램: 시스템에 포함되지 않고 사용자에 의해 실행됨

💙 시스템 부트

• 시스템에 전력이 공급되면, 명령 레지스터는 특정 메모리 위치를 가리키고 실행
• ROM 또는 EEPROM에 저장된 작은 크기의 코드
  • 부트스트랩 로더/프로그램(bootstrap loader/program)
    1. 하드웨어 상태 진단
    2. CPU 레지스터, RAM, 장치 제어기 등 시스템 초기화
    3. 디스크에 있는 부트 블록(boot block) 로드 및 시작
    4. 모든 부트 프로그램이 로드되면, 파일 시스템에서 커널 탐색
    5. 커널을 로드 후 실행 → 시스템 실행
• 즉, 시스템이 어떻게 작동하는가에 대한 설명
  • OS는 HDD에 저장
  • ROM이 Boot-Loader을 가짐
  • H/W에 있는 OS프로그램을 메모리에 프로세스로 살려놓음
  • OS가 메모리로 로드되는 과정
    → 부팅

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💻 Reference

운영체제 | Abraham Silberschatz - 교보문고