[1주차] OS Overview

OS Overview

운영체제의 역할

1. User Interface (편리성)

• CUI (Character User Interface)
• GUI (Graphical User Interface)
• EUCI (End-User Comfortable Interface)

2. Resource Management (효율성)

• HW resource
• SW resource

3. Process and Thread Management

4. System Management

컴퓨터 시스템의 구성

✔ 운영체제: System Call Interface + Kernel

✔ System Call Interface: 사용자가 직접 Kernerl을 제어하는 것이 아니라 필요한 기능만 요청하도록 하는 인터페이스

운영체제의 구분

1. 동시 사용자 수

• Single User System
• Multi User System

2. 동시 실행 프로세스 수

• Single Tasking System
• Multi Tasking System

3. 작업 수행 방식 (사용자가 느끼는 사용 환경)

• Batch Processing System
• Time-Sharing System
• Distributed Processing System
• Real-Time System

동시 사용자 수

단일 사용자 (Single user system)

✔ 한 명의 사용자만 시스템 사용 가능

• 한 명의 사용자가 모든 시스템 자원 독점
• 자원 관리 및 시스템 보호 방식이 간단

✔ 개인용 장비(PC, Mobile) 등에 사용

다중 사용자 (Multi user system)

✔ 동시에 여러 사용자들이 시스템 사용

• 각종 시스템 자원(파일 등)에 대한 소유 권한 관리 필요
• 기본적으로 Multi Tasking 기능 필요
• OS의 기능 및 구조가 복잡

✔ 서버, 클러스터(cluster) 장비 등에 사용

• Unix, Linux, Windows Server 등

동시 실행 프로세스 수

단일작업 (single tasking system)

✔ 시스템에 하나의 작업(프로세스)만 존재

• 하나의 프로그램 실행을 마친 뒤 다른 프로그램 실행

✔ 운영 체제 구조가 간단
✔ ex) MS - DOS

다중 작업 (multi tasking system)

✔ 동시에 여러 작업(프로세스)의 수행 가능

• 작업들 사이의 동시 수행, 동기화 등을 관리해야함

✔ 운영체제의 기능 및 구조가 복잡
✔ ex) Unix/Linux, Windows 등

작업 수행 방식

Batch Processing System (일괄 처리 시스템)

Time-Sharing System (시분할 시스템)

Distributed Processing System (분산처리 시스템)

Real-Time System (실시간 시스템)

작업 수행 방식의 역사

순차 처리 (No OS ~ 1940s)

✔ 운영체제 개념 존재하지 않음

• 사용자가 기계어로 직접 프로그램 작성
• 컴퓨터에 필요한 모든 작업 프로그램에 포함

✔ 실행하는 작업 별 순차 처리

• 각각의 작업에 대한 준비 시간 소요

Batch systems (1950s ~ 1960s)

✔ 모든 시스템을 중앙(전자계산소 등)에서 관리 및 운영
✔ 사용자의 요청 작업(천공카드 등)을 일정 시간 모아두었다가 한번에 처리

✔ 시스템 지향적 (System-oriented)

✔ 장점

• 많은 사용자가 시스템 자원 공유
• 처리 효율(throughput) 향상

✔ 단점

• 생산성(productivity) 저하: 같은 유형의 작업이 모이기를 기다려야 한다
• 긴 응답 시간 (turnaround time): 약 6시간(작업 제출에서 결과 출력까지)

Time Sharing System (1960 ~ 1970)

✔ 여러 사용자가 자원들 동시에 사용

• OS가 파일 시스템 및 가상 메모리 관리

✔ 사용자 지향적 (User-Oriented)

• 대화형 (conversational, interactive) 시스템
• 단말기 (CRT terminal) 사용

✔ 장점

• 응담시간 (response time) 단축 (약 5초)
• 생산성 향상

✔ 단점

• 통신 비용 증가: 통신선 비용, 보안 문제 등
• 개인 사용자 체감 속도 저하: 동시 사용자 수 증가로 인한 시스템 부하

Personal Computing

✔ 개인이 시스템 전체 독점
✔ CPU 활용률(utilization)이 고려 대상이 아니다
✔ OS가 상대적으로 단순 (하지만 다양한 사용자 기능 지원)

✔ 장점

• 빠른 응답시간

✔ 단점

• 성능(performance)이 낮음

Parallel Processing System

✔ 단일 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서 사용
✔ 메모리 등의 자원 공유 (Tightly-coupled system)
✔ 사용 목적

• 성능 향상
• 신뢰성 향상 (하나가 고장해도 정상 동작 가능)

✔ 프로세서 간 관계 및 역할 관리 필요

Distributed Processing Systems

✔ 네트워크를 기반으로 구축된 병쳘처리 시스템 (Loosely-coupled system)

• 물리적인 분산, 통신망 이용 상호 연결
• 각각 운영체제를 탑재한 다수의 범용 시스템으로 구성
• 각 구성요소 들 간의 독립성 유지, 공동 작업 가능
• 사용자는 분산 운영 체제를 통해 하나의 프로그램, 자원처럼 사용 가능

✔ ex: Cluster system, client-server system, P2P system

✔ 장점

• 자원 공유를 통한 높은 성능
• 고신뢰성, 높은 확장성

✔ 단점

• 구축 및 관리가 어렵다

Real-time Systems

✔ 작업 처리에 제한 시간(deadline)을 갖는 시스템

• 제한 시간 내에 서비를 제공하는 것이 자원 활용 효율보다 중요!

✔ 작업(task)의 종류

• Hard real-time task (발전소 제어, 무기 제어 등)
• soft real-time task (동영상 재생 등)
• Non real-time task

운영체제의 구조

✔ 커널(Kernel)

• OS의 핵심 부분 (메모리 상주): 시스템 관리 등 가장 빈번하게 사용되는 기능들을 담당한다.

✔ 유틸리티 (Utility)

• 비상주 프로그램
• UI 등 서비스 프로그램

단일 구조

✔ 장점

• 커널 내 모듈 간 직접 통신: 효율적 자원 관리 및 사용

✔ 단점

• 커널의 거대화
• 오류 및 버그, 추가 기능 구현 등 유지보수가 어려움
• 동일 메모리에 모든 기능이 있어, 한 모듈의 문제가 전체 시스템에 영향 (ex: 악성 코드)

계층 구조

✔ 장점

• 모듈화: 계층 간 검증 및 수정 용의
• 설계 및 구현의 단순화

✔ 단점

• 단일 구조 대비 성능 저하: 원하는 기능 수행을 위해 여러 계층을 거쳐야 한다.

마이크로 커널 구조

✔ 커널의 크기 최소화

• 필수 기능만 포함
• 기나 기능은 사용자 영역에서 수행

운영체제의 기능

✔ 프로세스 관리
✔ 프로세서 관리
✔ 메모리 관리
✔ 파일 관리
✔ 입출력 관리
✔ 보조 기억 장치 및 기타 주변 장치 관리 등

Process Management

프로세스 (Process)

✔ 커널에 등록된 실행 단위 (실행 중인 프로그램)
✔ 사용자 요청/프로그램의 수행 주체(entity)

OS의 프로세스 관리 기능

✔ 생성/삭제, 상태 관리
✔ 자원 할당
✔ 프로세스 간 통신 및 동기화
✔ 교착상태(deadlock) 해결

프로세스 정보 관리

✔ PCB (Process Control Block)

Processor Management

중앙 처리 장치 (CPU)

✔ 프로그램을 실행하는 핵심 자원

프로세스 스케줄링

✔ 시스템 내의 프로세스 처리 순서 결정

프로세서 할당 관리

✔ 프로세스들에 대한 프로세서 할당

• 한 번에 하나의 프로세스만 사용 가능

Memory Management

주기억장치

✔ 작업을 위한 프로그램 및 데이터를 올려 놓는 공간

Multi-user, Multi-tasking 시스템

✔ 프로세스에 대한 메모리 할당 및 회수
✔ 메모리 여유 공간 관리
✔ 각 프로세스의 할당 메모리 영역 접근 보호

메모리 할당 방법 (scheme)

✔ 전체 적재

• 장점: 구현이 간단
• 단점: 제한적 공간

✔ 일부 적재 (virtual memory concept)

• 프로그램 및 데이터의 일부만 적재
• 장점: 메모리 효율적 활용
• 단점: 보조 기억 장치 접근 필요

File Management

✔ 파일: 논리적 데이터 저장 단위
✔ 사용자 및 시스템의 파일 관리
✔ 디렉토리 구조 지원
✔ 파일 관리 기능

I/O Management

✔ 반드시 OS를 거쳐야 한다

Others

✔ Disk
✔ Networking
✔ Security and Protection System
✔ Command and Interpreter System
✔ System Call Interface