3-1. 운영체제와 컴퓨터 - 운영체제의 역할과 구조, 컴퓨터의 요소

0. 운영체제란?

운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공하는 시스템 소프트웨어이다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하며, 종류로는 맥, 윈도우 등이 있다. 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것은 펌웨어(firmware)라고 한다.

 

 

 

1. 운영체제의 역할과 구조

1) 운영체제의 역할

- CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU를 어떤 프로세스에 할당할지(스케줄링), 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환 관리

- 메모리 관리 : 한정된 메모리를 여러 프로그램에게 나누어 할당, 보호 관리

- 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떤 방법(저장, 접근, 보호)으로 보관할지 관리

- I/O 디바이스 관리 : 마우스, 키보드와 같은 I/O 디바이스와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

 

2) 운영체제의 구조

* GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스. 아이콘을 마우스로 클릭하며 컴퓨터와 상호 작용 ex) 윈도우, 맥

* CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스. ex) 리눅스 서버

* 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

2.1 커널 (Kernel)

운영체제의 가장 핵심적인 부분이자 항상 메모리(주기억장치)에 상주한다. 커널은 운영체제의 모든 핵심 기능을 수행한다.

 

- 프로세스 및 스레드 관리

- 메모리 관리 (할당, 회수, 가상 메모리)

- 파일 시스템 및 입출력 관리

- 시스템콜 인터페이스 제공

 

 

2.2 시스템콜 (System Call)

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다. 응용 프로그램이 운영체제의 서비스를 요청할 때, 시스템콜과 커널을 거쳐 운영체제에게 전달된다. 이를 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하며, 다른 프로그램으로부터 보호한다. 시스템콜은 하나의 추상화 계층이기 때문에, 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 부분을 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

 

- 모드 비트 (mode bit) : CPU가 현재 어떤 모드에서 동작하고 있는지를 나타내는 플래그

Mode Bit 값	모드 명칭	권한 수준	주요 역할
0	커널 모드	모든 자원 접근 가능	운영체제(커널) 코드가 실행되는 모드로, 메모리 접근, I/O 장치 접근 등 모든 시스템 자원 제어
1	유저 모드	접근 영역 제한	사용자 프로그램이 실행되는 모드로, 시스템 자원에 직접 접근 불가능

 

 

 

 

2. 컴퓨터의 요소

1) CPU

인터럽트에 의해 메모리에 존재하는 명령어를 해석하고 실행한다. 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.

 

1.1 제어장치 (CU, Control Unit)

CPU 내에서 모든 명령의 실행을 관리하고 조정하는 장치이다. 즉, 프로세스 조작을 지시한다. 메모리로부터 명령어를 읽고 해석하며, 시스템의 모든 장치 동작을 통제하여 데이터의 흐름을 조율한다.

 

 

1.2 레지스터

CPU 내부에 있는 초고속 임시 기억 장치이다. 데이터를 일시적으로 저장하며, CPU와 직접 연결되어 있어 메모리보다 속도가 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

 

 

1.3 산술논리연산장치 (ALU, Arithmetic Logic Unit)

CPU 내에서 실제 데이터에 대한 모든 산술 연산(덧셈, 뺄셈 등)과 논리 연산(AND, OR, NOT 등)을 수행하는 디지털 회로 장치이다. 제어장치로부터 받은 제어 신호에 따라 연산을 수행한다.

 

- 제어장치가 메모리와 레지스터에 계산할 값을 로드한다.

- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하기 위해 산술논리연산장치에 명령한다.

- 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 저장한다.

 

 

1.4 인터럽트

인터럽트는 CPU가 현재 처리하고 있는 작업을 잠시 중단하고, 긴급하게 처리해야 할 외내부 신호를 알리는 메커니즘이다. 인터럽트는 우선순위가 존재하며, 인터럽트 처리를 통해 CPU 낭비 시간을 줄이고 효율성을 높일 수 있다.

 

- 하드웨어 인터럽트 : I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트이다.

- 소프트웨어 인터럽트 : 트랩이라고도 하며, 프로세스가 오류 등으로 시스템콜을 호출할 때 발생하는 인터럽트이다.

 

 

2) DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러는 CPU의 개입 없이 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 제어하는 하드웨어 장치이다. 너무 많은 데이터와 인터럽트 요청이 들어오는 CPU의 부하를 막아주며, CPU의 일을 부담하는 보조 장치이다.

 

 

3) 메모리

메모리는 주기억장치(RAM)를 의미하며, CPU가 직접 접근하여 데이터를 읽거나 쓰는 휘발성 저장 공간이다. 프로세스들은 메모리 공간을 할당받고, 메모리 보호를 위해 이 공간에서만 동작해야 합니다. CPU의 레지스터보다는 속도가 느리지만, 디스크(보조기억장치)보다는 빠르다. 메모리가 클수록 많은 일을 동시에 처리할 수 있다.

 

 

4) 타이머

타이머는 정해진 시간 간격(시간 주기)이 경과되었음을 CPU에 알려주는 하드웨어 장치로, 특정 프로그램에 시간 제한을 두는 역할을 한다. 운영체제의 핵심인 시분할과 프로세스 관리에 필수적이다.

 

 

5) 디바이스 컨트롤러

각종 입출력 장치(I/O 디바이스)를 제어하고 관리하는 하드웨어 장치이다. CPU가 복잡한 하드웨어의 작동 방식을 모두 알 필요 없이, 표준화된 인터페이스를 통해 장치를 제어할 수 있도록 돕는다. 로컬 버퍼는 장치와 메모리 간의 데이터 전송 속도 차이를 완화하기 위해 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻한다.