[Operating System] #1주차 - 운영체제 개요

👻 운영체제가 뭐길래?

컴퓨터 시스템을 운영하는 소프트웨어를 운영체제라고 한다.

컴퓨터는 정보를 처리하는 기계이며, 정보는 불확실성을 측정해서 수치화로 표현한 것이며 최소 단위를 bit(binary digit)라고 한다. (8 bits = 1 byte)

💡 I(x) = -log₂P(x)

정보의 처리는 정보의 상태 변환으로 표현할 수 있다. (0에서 1로, 1에서 0으로) 이는 부울 대수(NOT, AND, OR), 논리 게이트(NOT, AND, OR, XOR, NAND, NOR), 논리 회로(IC, LSI VLSI, ULSI, SoC, …) 등으로 표현이 가능하다. 부울 대수를 이용해 논리 게이트를 만들고 논리 게이트를 이용해 논리 회로를 만드는 방식이다.

• 컴퓨터의 정보 처리 방법
  • 덧셈
    • 반가산기, 전가산기
  • 뺄셈
    • 2의 보수 표현법
  • 곱셈과 나눗셈
    • 덧셈과 뺄셈의 반복
  • 함수
    • GOTO
• 컴퓨터는 두 가지로 나뉜다.
  • 범용성 : universality
    • NOT, AND, OR 게이트만으로 모든 계산이 가능
    • NAND 게이트만으로 모든 계산이 가능
    • 범용 컴퓨터 : general-purpose computer
  • 계산가능성 : computability
    • Turing-computable : 튜링 머신으로 계산 가능한 것
    • 정지 문제(Halting Problem) : 튜링 머신으로 풀 수 없는 문제
• Alan Turing(앨런 튜링) : 컴퓨터의 할아버지
• John von Neumann(존 폰 노이만) : 컴퓨터의 아버지
  • 프로그램을 저장할 수 있는 컴퓨터를 발명
  • ISA(Instruction Set Architecture)라고도 불림

프로그램은 명령어의 집합이며, 프로그램을 컴파일하게되면 기계어(어셈블리어)가 생긴다. 운영체제도 프로그램 중 하나이며 프로세스(중요), 리소스, UI 등을 관리한다.

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👻 운영체제가 하는 일

운영체제는 소프트웨어와 하드웨어를 연결해주는 중간다리, 즉 인터페이스이다.

컴퓨터에서 항상 돌아가는 하나의 프로그램을 커널(Kernel)이라고 한다. 시스템 프로그램과 어플리케이션 프로그램이 있다.

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👻 컴퓨터 시스템의 구성

예전의 컴퓨터는 다음과 같은 구성을 이룬다.

하나 혹은 여러개의 CPU와 여러가지의 장치 컨트롤러, 그리고 그 둘을 연결해주는 버스(bus)가 있다.

• Interrupts
  • 키보드나 마우스, 모니터 등의 입출력 장치(I/O Device)와 CPU 간의 통신 방법
  • 시스템 버스를 이용해 신호를 CPU로 전송한다.
  • DMA(Directed Memory Access) : 인터럽트의 한 종류(유튜브 같은 경우에 해당). CPU가 별로 할 일이 없으면 이 방법을 사용한다.
• Bootstrap
  • 부츠의 뒤쪽에 위치한 끈을 부트스트랩이라 부른다.
  • 이를 이용해 신발에 발을 딱 맞추듯, 컴퓨터의 파워를 켰을 때 가장 처음으로 실행되는 프로그램을 의미한다.
• von Neumann Architecture
  • 명령어의 실행 순환을 수행
  • 명령어 레지스터(Instruction Register)에 명령어를 저장하며 메모리에 올린 후 실행시키는 것을 반복한다.
  • 결과는 다시 메모리에 저장

용량과 Access Time에 따라 스토리지(Storage: 저장소)는 계층 구조로 설정된다. 위로 갈수록 처리 속도가 빨라진다.

💡 solid-state disk(ssd)는 메모리 형태의 하드 디스크이다.

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👻 컴퓨터 시스템의 구조와 기능

컴퓨터 시스템을 이루는 요소는 대표적으로 다음과 같다.

• CPU
• Processor
• Core
• Multicore

• Multiprocessor

• MultiProgramming
  • 하나의 프로그램 이상이 돌고있는 것
  • 프로세스가 동시에 올라가있으면 CPU 타임을 높일 수 있음

💡 Multitasking = Multiprocessing

멀티프로그래밍이 되면 하나의 CPU를 쪼개서(Time-Sharing) 사용할 수 있음(Concurrency)

• CPU Scheduling
  • 이후 처리할 프로그램을 선택하는 과정

모드는 두 가지로 나뉜다.

• User mode와 Kernel mode

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👻 Virtualization

여러 개의 OS를 실행시키기 위해 가상의 매니저를 설정하는 것

• VMM(Virtual Machine Manager, Monitor)
  • VMware, XEN, WSL 등등이 있다.

기존의 커널이 관리해줬던 부분을 VMM이 관리해준다고 볼 수 있다.

Q. 하나의 OS를 관리하는 게 커널인가..?

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👻 컴퓨터 환경

다양한 컴퓨팅 환경의 운영체제는 다음과 같은 것들이 있다.

• Mobile Computing : Android, iOS
• Client-Server : Web
• Peer-to-Peer : 음악 파일 공유 등. 중간 서버 없이 공유 가능
  • P2P의 연장이 비트코인, 블록체인
• Cloud : AWS, Azure, GCP(Google Cloud Platform)
• Real-Time

멀티 프로그래밍의 동기화를 제대로 처리 못하면 데드락에 걸린다.

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👻 글을 마치며

이번 시간에는 운영체제에 대한 기본적인 개념과 여러가지 단어에 대해 알아보았다. 강의를 들으면서 학부생 때 배웠던 내용들이 생각났는데 그 때 그 내용이 이제서야 이해가 되었다 😂 이래서 관심이 중요하다는…

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출처
인프런 주니온님 강의 : 운영체제 공룡책 강의