운영체제 구조

운영체제의 구조

운영체제는 매우 복잡한 구조를 지닌다.
운영체제를 크게 나누어 보면 커널(Kernel)과 사용자 인터페이스(User Interface)로 나눌 수 있으며, UNIX의 경우 사용자 인터페이스를 셸(Shell)이라고 한다.
셸은 사용자의 명령을 해석하여 커널에게 전달하고, 그 결과를 사용자에게 제시해 주 기 위한 특별한 응용 프로그램이다. 셸은 텍스트 기반 방식과 그래픽 기반 방식으로 나눠지고, 그래픽 기반의 셸을 GUI(Graphical User Interface)라고 한다.
커널은 운영체제의 핵심들을 모아둔 것으로 셸과 대비될 수 있고, 셸이 운영체계의 가장 바깥 부분에 위치하면서 사용자 명령어에 대한 처리를 담당한다. 이에 반해, 커널은 종료된 입출력연산 등 커널의 서비스를 경쟁적으로 요구하는 모든 요청들을 처리하는 인터럽트 처리기와, 어떤 프로그램들이 어떤 순서로 커널의 처리시간을 공유할 것인지 를 결정하는 스케줄러, 그리고 스케줄이 끝나면 실제로 각 프로세스들에게 컴퓨터의 사 용권을 부여하는 슈퍼바이저(Supervisor) 등이 포함된다.
또한 커널은 메모리나 저장장치 내에서 운영체제의 주소공간을 관리하고, 이들을 모 든 주변장치들과 커널의 서비스들을 사용하는 다른 사용자들에게 고루 나누어주는 메모 리관리자를 가지고 있다. 커널의 서비스는 운영체제의 다른 부분이나, 흔히 시스템 호출이라고 알려진 일련의 프로그램 인터페이스들을 통해 요청된다.

 

커널(Kernel) 구조

운영체제의 커널은 시스템의 핵심 부분으로, 하드웨어와 응용 프로그램 간의 통신과 자원 관리를 담당하는 핵심 모듈입니다. 커널은 운영체제의 중심 역할을 수행하며, 사용자 프로세스와 하드웨어 간의 상호작용을 조정하고 관리합니다. 커널의 주요 구조에는 다양한 부분이 포함되어 있습니다.
1. 프로세스 관리:
   - 커널은 프로세스의 생성, 스케줄링, 동기화, 통신 등을 담당합니다. 이는 다중 작업 환경에서 프로세스 간의 조율과 자원 할당을 효과적으로 수행함을 의미합니다.
2. 메모리 관리:
   - 물리적 메모리와 가상 메모리, 페이지 교체 알고리즘 등을 관리하여 시스템 메모리를 효율적으로 사용하도록 합니다. 커널은 메모리 공간의 할당 및 해제, 페이지 부재 처리 등을 수행합니다.
3. 파일 시스템 관리:
   - 파일과 디렉토리의 생성, 삭제, 읽기, 쓰기 등을 담당하며, 파일 시스템의 구조와 관리를 책임집니다. 이를 통해 데이터를 영구적으로 저장하고 관리합니다.
4. 입출력 관리:
   - 입출력 장치와의 효율적인 상호작용을 담당합니다. 디바이스 드라이버와의 인터페이스를 제공하여 입출력 연산을 처리하고, 버퍼링과 스케줄링을 통해 성능을 최적화합니다.
5. 시스템 콜 인터페이스:
   - 사용자와 운영체제 간의 상호작용을 지원하는 인터페이스를 제공합니다. 시스템 콜을 통해 사용자 프로그램이 운영체제 기능을 요청할 수 있도록 합니다.
운영체제의 커널은 시스템의 안정성, 효율성, 보안성을 유지하며 사용자 및 응용 프로그램에 필요한 서비스를 제공하는 핵심적인 부분으로써, 전체 운영체제의 동작을 조절하고 통제합니다.

 

프로세스 관리

운영체제 구조

운영체제의 프로세스 관리는 시스템 내에서 실행 중인 프로세스를 조율하고 관리하는 중요한 부분입니다. 이는 다양한 하위단계로 구성되어 있습니다.
1. 프로세스 스케줄링:
프로세스 스케줄링은 여러 프로세스 간에 CPU를 효율적으로 분배하고 실행 순서를 결정하는 과정입니다. 다양한 스케줄링 알고리즘을 사용하여 우선순위, 시간 할당량 등을 고려하여 작업을 조절합니다.
2. 프로세스 생성 및 종료:
운영체제는 새로운 프로세스의 생성 및 기존 프로세스의 종료를 관리합니다. 프로세스의 생성은 fork와 exec 같은 시스템 콜을 통해 이루어지며, 종료는 정상 종료 및 예외 종료를 다루게 됩니다.
3. 프로세스 상태 관리:
프로세스는 다양한 상태를 가지며, 이를 효과적으로 관리하는 것이 중요합니다. 준비, 실행, 대기, 종료 등의 상태 전이를 정확히 제어하여 프로세스의 상태를 추적하고 제어합니다.
4. 동기화 및 통신:
다중 프로세스 간의 동기화와 통신은 여러 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근하고 데이터를 교환할 수 있도록 하는 중요한 기능입니다. 세마포어, 뮤텍스, 메시지 패싱 등의 기법을 사용하여 동기화와 통신을 지원합니다.
5. 인터프리터 및 쉘:
운영체제는 프로세스의 명령 해석을 담당하는 인터프리터와 사용자와 시스템 간 상호작용을 지원하는 쉘을 제공합니다. 사용자의 명령을 해석하고 실행하는 역할을 수행하여 사용자와 시스템 간 효율적인 소통을 지원합니다.
프로세스 관리는 시스템의 성능, 효율성, 안정성을 결정하는 중요한 역할을 하며, 이러한 기능들을 통해 다수의 프로세스가 조화롭게 동작하고 자원을 효율적으로 활용할 수 있습니다.

기억 장치 관리

운영체제의 기억 장치 관리는 주기억장치(RAM) 및 보조기억장치(하드 디스크, SSD 등)를 효과적으로 관리하는 중요한 역할을 수행합니다. 이는 시스템의 성능, 안정성, 그리고 사용자 및 응용 프로그램의 편의성에 큰 영향을 미칩니다.
1. 메모리 할당과 해제:
운영체제는 여러 프로세스가 메모리를 효율적으로 공유하도록 관리합니다. 프로세스가 요청한 메모리 공간을 할당하고 사용이 끝나면 다시 회수하는 작업을 수행하여 메모리의 효율적인 활용을 도모합니다.
2. 가상 메모리:
가상 메모리는 물리적 메모리의 한계를 넘어서 프로세스에 대한 확장성을 제공합니다. 페이지 교체 알고리즘을 사용하여 필요한 데이터를 물리적 메모리로 스왑 하며, 요청 시에만 필요한 부분을 로드하여 효율적으로 작동합니다.
3. 페이지 교체 알고리즘:
페이지 교체 알고리즘은 한정된 물리적 메모리에서 어떤 페이지를 저장하고 어떤 페이지를 교체할지를 결정하는데 중요한 역할을 합니다. LRU(Least Recently Used), FIFO(First In First Out) 등의 알고리즘이 사용되며, 이를 통해 메모리의 효율성을 높입니다.
4. 메모리 보호:
운영체제는 각 프로세스가 자신의 메모리 영역을 침범하지 않도록 보호합니다. 이를 위해 기준 레지스터와 한계 레지스터를 사용하여 각 프로세스의 메모리 영역을 지정하고, 특정 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 손상하지 않도록 합니다.
5. 캐시 메모리 관리:
운영체제는 캐시 메모리를 효율적으로 활용하여 빠른 데이터 접근을 지원합니다. 캐시 메모리의 일관성과 효율적인 데이터 교체를 관리하여 전체 시스템 성능을 향상시킵니다.
기억 장치 관리는 프로세스 간 충돌을 방지하고 메모리 자원을 효과적으로 활용하여 시스템의 안정성과 성능을 보장하는 핵심 기능입니다.

 

주변 장치 관리

운영체제의 주변 장치 관리는 컴퓨터 시스템과 외부 장치 간의 효율적인 상호작용을 담당하는 핵심 부분입니다. 주변 장치는 하드웨어 리소스인 입력 장치(키보드, 마우스), 출력 장치(디스플레이, 프린터), 저장 장치(하드 디스크, SSD) 등을 포함합니다. 이러한 리소스들을 효과적으로 관리하고 사용자와의 상호작용을 지원하기 위해 주변 장치 관리는 다양한 기능을 수행합니다.
1. 디바이스 드라이버 관리:
운영체제는 주변 장치와 통신하기 위한 디바이스 드라이버를 관리합니다. 디바이스 드라이버는 특정 장치와 통신하기 위한 하드웨어 추상화를 제공하며, 장치의 정확한 동작을 조정합니다.
2. 입출력 큐 및 버퍼 관리:
입출력 큐는 주변 장치와의 효율적인 통신을 위해 작업을 대기시키는 역할을 합니다. 또한, 입출력 작업에 사용되는 버퍼를 관리하여 데이터의 효율적인 전송과 처리를 지원합니다.
3. 인터럽트 처리:
입출력 장치는 비동기적으로 동작하므로, 운영체제는 장치에서 발생하는 인터럽트를 처리하여 적절한 대응을 수행합니다. 이를 통해 주변 장치의 상태 변화나 완료 신호를 즉시 감지하고 처리할 수 있습니다.
4. 스풀링(Spooling) 시스템:
운영체제는 스풀링을 통해 여러 프로세스가 동시에 여러 출력 장치에 데이터를 전송할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 출력 작업을 효율적으로 조정하고 여러 응용 프로그램 간의 충돌을 방지합니다.
5. 에러 처리 및 복구:
주변 장치에서 발생하는 에러나 문제에 대한 적절한 처리 및 복구 기능을 제공합니다. 이를 통해 시스템의 안정성을 유지하고 사용자 경험을 향상합니다.
주변 장치 관리는 시스템의 입출력 처리와 외부 장치와의 효율적인 상호작용을 지원하여 전체 시스템의 성능과 안정성을 향상하는 중요한 역할을 수행합니다.

정보관리

운영체제의 정보관리는 시스템 내에서 생성되고 사용되는 다양한 정보를 효율적으로 관리하는 것을 의미합니다. 이는 파일 시스템을 포함하여 다양한 측면에서 이루어지며, 시스템의 안정성과 사용자 편의성을 높이는 데 기여합니다.
1. 파일 시스템 관리:
운영체제는 파일 시스템을 통해 데이터를 조직화하고 저장합니다. 파일 시스템은 파일과 디렉터리의 계층 구조를 제공하며, 파일의 생성, 읽기, 쓰기, 삭제 등을 관리하여 사용자 및 응용 프로그램이 데이터에 쉽게 접근할 수 있도록 합니다.
2. 메타데이터 관리:
파일 시스템은 각 파일에 대한 메타데이터를 유지합니다. 이는 파일의 소유자, 생성 일자, 파일 크기, 액세스 권한 등과 같은 정보를 포함하며, 이러한 메타데이터를 통해 운영체제는 파일을 식별하고 효과적으로 관리합니다.
3. 시스템 로그 및 이벤트 관리:
운영체제는 시스템의 동작과 관련된 로그 및 이벤트를 기록하고 관리합니다. 이는 시스템의 상태를 추적하고 잠재적인 문제를 식별하며, 보안 감시 및 문제 해결에 도움을 줍니다.
4. 프로세스 정보 및 통신:
운영체제는 각 프로세스에 대한 정보를 유지하고 관리합니다. 이는 프로세스의 상태, 우선순위, 자원 사용량 등을 포함하며, 프로세스 간 효과적인 통신을 위한 메커니즘도 지원합니다.
5. 보안 및 암호화:
운영체제는 중요한 정보를 안전하게 보호하기 위해 보안 기능을 제공합니다. 사용자 인증, 권한 관리, 파일 및 통신의 암호화 등을 통해 시스템의 안전성을 유지합니다.
정보관리는 시스템 전반에 걸쳐 중요한 역할을 수행하며, 이를 통해 시스템의 안정성, 신뢰성, 그리고 사용자 경험을 향상합니다.