[OS] 운영체제와 컴퓨터

개요

운영체제(Operating System, OS)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 사용할 수 있도록 도와주는 인터페이스 역할을 합니다. 컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어 사이를 중재하면서 자원 관리, 사용자 편의성 제공, 보안 유지 등의 핵심적인 기능을 수행합니다.

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운영체제의 역할

운영체제는 다양한 자원을 효율적으로 관리하고, 사용자와 하드웨어 간의 매끄러운 연결을 담당합니다. 주요 역할은 다음과 같습니다:

 

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
   • CPU 사용 순서를 결정하고
   • 프로세스 생성 및 삭제, 자원 할당과 반환을 담당합니다.
2. 메모리 관리
   • 제한된 메모리를 여러 프로세스에게 적절히 분배합니다.
3. 디스크 파일 관리
   • 파일 시스템을 관리하고, 파일의 저장 및 접근을 제어합니다.
4. I/O 디바이스 관리
   • 마우스, 키보드 등 외부 장치와의 데이터 송수신을 관리합니다.

 

운영체제의 구조

운영체제는 사용자와 컴퓨터 간 인터페이스 형태에 따라 다음과 같이 구성됩니다.

 

GUI (Graphical User Interface)

• 그래픽 요소를 통해 사용자가 직관적으로 시스템과 상호작용합니다.

CUI (Character User Interface)

• 텍스트 기반 명령어 입력으로 조작하는 방식입니다. (ex. 터미널, 명령 프롬프트)

드라이버 (Driver)

• 하드웨어 장치를 제어하기 위한 소프트웨어입니다.

 

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시스템 콜 (System Call)

시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 요청할 때 사용하는 인터페이스입니다. 예를 들어, fs.readFile() 같은 파일 읽기 함수가 실행되면 다음과 같은 과정이 발생합니다:

1. 올바른 요청인지 확인 후
2. 유저 모드에서 커널 모드로 전환
3. 커널이 I/O를 수행한 뒤
4. 다시 유저 모드로 돌아와 이후 로직을 실행

=> 이 과정을 통해 프로그램이 임의로 시스템 자원에 접근하지 못하게 하여 보안을 강화합니다

 

모드 비트 (Mode Bit)

운영체제는 유저 모드와 커널 모드를 구분하여 동작하며, 이를 구분하는 플래그가 바로 modebit입니다.

• 0 → 커널 모드
• 1 → 유저 모드

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컴퓨터의 구성 요소

 

CPU (중앙처리장치)

• 산술논리연산장치(ALU): 덧셈, 뺄셈 같은 산술 연산과 논리 연산 수행
• 제어장치: 명령어 해석 및 처리 순서 결정
• 레지스터: CPU 내부의 초고속 임시 저장소

CPU의 연산 처리 순서

1. 제어장치가 메모리/레지스터에서 값을 읽어옴
2. ALU가 연산 수행
3. 결과값을 다시 메모리에 저장

인터럽트 (Interrupt)

인터럽트는 CPU의 현재 작업을 중단하고 특정 이벤트를 처리하는 메커니즘입니다.

• 하드웨어 인터럽트: I/O 디바이스로부터 발생 (ex. 키보드 입력, 마우스 클릭 등)
• 소프트웨어 인터럽트 (Trap): 오류 발생, 시스템콜 요청 등 소프트웨어 내에서 발생

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DMA 컨트롤러 (Direct Memory Access)

• I/O 장치가 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 데이터 송수신이 가능하게 하는 장치
• CPU의 부하를 줄여 성능을 향상시킵니다

메모리

• 데이터를 저장하는 장치
• RAM이 대표적이며, CPU가 데이터를 처리할 때 반드시 필요합니다

타이머

• 작업 시간 제한을 설정해 특정 프로그램의 실행 시간을 관리합니다

디바이스 컨트롤러

• 각 I/O 디바이스마다 존재하는 작은 CPU 같은 존재
• 디바이스와 연결된 로컬 버퍼에 데이터를 임시 저장하며 통신을 담당합니다