운영체제와 컴퓨터 구조

운영체제란?

프로그램에 필요한 자원을 할당하고 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램이 운영체제입니다.

운영체제는 인터넷 브라우저, 게임과 같은 프로그램입니다. 그래서 운영체제 또한 어느 프로그램과 마찬가지로 메모리에 적재되어야 합니다. 다만 운영체제는 매우 특별한 프로그램이기 때문에 항상 컴퓨터가 부팅될 때 메모리 내 커널 영역이라는 공간에 따로 적재되어 실행됩니다. 커널영역을 제외한 나머지 영역 사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역을 사용자 영역이라고 합니다. 즉, 운영체제는 커널영역에 적재되는 영역을 사용자 영역이라고 합니다.

운영체제는 커널영역에 적재되어 사용자 영역에 적재된 프로그램들에 자원을 할당하고 이들을 올바르게 실행되도록 돕습니다.

운영체제는 커널영역에 적재되는 프로그램이다.

운영체제의 종류

윈도우, 유닉스, 리눅스 등이 있습니다. 주로 윈도는 개인이 사용하고 유닉스와 리눅스는 서버용 운영체제로 사용됩니다.

 

 

커널

왜 중요한가?

운영체제가 설치된 모든 기기에는 커널이 있다.

커널은 마치 사람의 심장, 혹은 자동차의 엔진과도 같습니다.

어떤 커널을 사용하는지에 따라 사용자가 실행하고 개발하는 프로그램이 하드웨어를 이용하는 양상이 달라지고, 결과적으로 컴퓨터의 전체 성능이 달라질 수 있습니다. 즉, 자원에 접근, 조작하는 기능, 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능이 운영체제의 핵심 서비스에 속합니다.

그럼 커널이란?

운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분을 커널이라 합니다.

인터페이스

운영체제가 제공하는 서비스 중 커널에 포함 되지 않는 서비스가 대표적으로 사용자 인터페이스

UI는 윈도우 바탕화면과 같이 사용자가 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 통로입니다.

 

종류

• GUI
• CLI

이중모드와 시스템 호출

운영체제는 사용자가 실행하는 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하는 것을 방지하여 자원을 보호합니다. 그래서 운영체제는 응용프로그램들이 자원에 접근하려고 할 때 오직 자신을 통해서만 접근하도록 하여 자원을 보호합니다. 비유하자면 문지기 역할을 하는 셈입니다.

예를 들면, 응용프로그램이 하드디스크에 접근하여 데이터를 저장하려면 운영체제에 도움을 요청해야 하고 운영체제는 커널 영역 내의 하드 디스크에 데이터를 저장하는 코드를 실행하여 응용프로그램의 작업을 대신 수행해 줍니다.

이러한 운영체제의 문지기 역할은 이중모드로써 구현됩니다.

이중모드 란?

CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자모드와 커널모드로 구분하는 방식입니다.

CPU는 명령어를 사용자 모드로써 실행할 수 있고 커널모드로써 실행할 수 있습니다.

 

사용자모드는 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행모드. 즉, 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 모드입니다. 일반적인 응용프로그램은 기본적으로 사용자 모드로 실행됩니다. 사용자 모드로 실행 중인 CPU는 입출력 명령어와 같이 하드웨어 자원에 접근하는 명령어를 실행할 수 없습니다. 그래서 사용자 모드로 실행되는 일반적인 응용 프로그램은 자원에 접근할 수 없습니다.

 

커널모드는 운영체제 서비스를 제공 받을 수 있는 실행모드. 즉, 코드를 실행할 수 있는 모드.

CPU가 커널모드로 명령어를 실행하면 자원에 접근하는 명령어를 비롯한 모든 명령어를 실행할 수 있습니다. 운영체제는 커널모드로 실행되기 때문에 자원에 접근할 수 있습니다.

 

이중모드는 CPU가 명령어를 실행하는 모드를 커널모드와 사용자 모드로 구분하는 방식입니다.

사용자 모드로 실행되는 프로그램이 자원에 접근하는 운영체제 서비스를 제공받으려면 운영체제에 요청을 보내 커널모드로 전환되어야 합니다. 이때 운영체제 서비스를 제공받기 위한 요청을 시스템 호출(시스템 콜)이라고 합니다. 사용자 모드로 실행되는 프로그램은 시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스를 제공받을 수 있습니다.

 

시스템 호출은 일종의 인터럽트입니다. 정확히는 소프트웨어적인 인터럽트입니다.

 

인터럽트는 입출력장치에 의해 발생하기도 하지만 인터럽트를 발생시키는 특정 명령어에 의해 발생하기도 하는데, 이를 소프트웨어 인터럽트라고 합니다.

 

컴퓨터구조

컴퓨터 구조 지식은 크게 두 가지입니다.

• 컴퓨터가 이해하는 정보
• 컴퓨터의 네 가지 핵심 부품

 

컴퓨터가 이해하는 정보

컴퓨터는 0과 1로 표현된 정보만을 이해합니다. 그리고 0과 1로 표현되는 정보에는 크게 두 종류가 있는데, 바로 데이터와 명령어입니다.

데이터란? 컴퓨터가 이해하는 숫자, 문자, 이미지, 동영상과 같은 정적인 정보를 가리키는 것

명령어란? 데이터를 움직이고 컴퓨터를 작동시키는 정보

 

핵심 부품

핵심 부품에는 네 가지가 있습니다.

 

 

CPU(중앙처리장치)

컴퓨터의 두뇌. CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 읽어 들인 명령어를 해석하고, 실행하는 부품입니다.

CPU의 내부 구성요소

• 산술논리연산장치(ALU)
• 레지스터
• 제어장치

ALU는 쉽게 말해 계산기입니다. 계산만을 위해 존재하는 부품. 컴퓨터 내부에서 수행되는 대부분의 계산은 ALU가 수행합니다.

레지스터는 CPU 내부의 작은 임시 저장 장치입니다. 프로그램을 실행하는 데 필요한 값들을 임시로 저장합니다. CPU 안에는 여러 개의 레지스터가 존재하고 각기 다른 이름과 역할을 가지고 있습니다.

제어장치는 제어신호라는 전기 신호를 내보내고 명령어를 해석하는 장치입니다.

제어신호란 컴퓨터 부품들을 관리하고 작동시키기 위한 일종의 전기 신호입니다.

• CPU가 메모리에 저장된 값을 일고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 읽기라는 제어 신호를 보낸다.
• CPU가 메모리에 어떤 값을 저장하고 싶을 땐 메모리를 향해 메모리 쓰기라는 제어 신호를 보낸다.

 

메모리(주기억장치)

주기억장치에는 크게 RAM과 ROM이 있는데 보통 RAM을 지칭합니다.

현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품. 즉, 프로그램이 실행되려면 반드시 메모리에 저장되어 있어야 합니다.

 

컴퓨터가 빠르게 작동하기 위해서는 메모리 속 명령어와 데이터가 중구난방으로 저장되어 있으면 안 됩니다. 저장된 명령어와 데이터의 위치는 정돈되어 있어야 합니다. 그래서 메모리에는 저장된 값에 빠르고 효율적인 접근하기 위해 주소라는 개념이 사용됩니다.

정리하면 메모리에 특징은 아래와 같습니다.

• 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 저장되어야 함
• 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장
• 메모리에 저장된 값의 위치는 주소로 알 수 있다.

 

보조기억장치

메모리의 단점

• 가격이 비쌈 (상대적으로)
• 전원이 꺼지면 저장된 내용을 잃어버린다.

이러한 단점을 보완하기 위한 장치가 보조기억장치입니다.

하드디스크, SSD, USB, DVD, CD-ROM과 같은 저장 장치가 보조기억장치의 일종입니다.

 

 

입출력장치

입출력장치는 마이크, 스피커, 마우스, 프린터, 키보드처럼 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치를 의미합니다.

다른 말로 주변장치라고 통칭하기도 합니다.

 

 

 

 

출처: 혼공컴운