[OS][운영체제] 2. Operating-System Structures / OS의 구조

1. OS 서비스
2. User OS Interface
3. System calls
4. 시스템 프로그램
5. OS 설계 및 시행
6. OS의 구조
7. Virtual Machines (가상 머신)
8. OS Generation (SYSGEN)
9. System Boot

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1. OS 서비스

OS 서비스는 유저를 위해 다음과 같은 기능을 가진다

• UI; User Interface
  • : CLI(Command-Line) ~ GUI(Graphics User Interface), Batch
• 프로그램 실행
• I/O 동작
• 파일 시스템 조작
  • : read, write, create, delete, search, list, permission, …
• 통신
  • : 같은 컴퓨터 혹은 다른 컴퓨터의 프로세스들은 네트워크로 통신한다
  • : OS에서 패킷 이동은 공유 메모리, 혹은 메시지 패싱(Message Passing) 방식을 이용한다
• 에러 검출(detection)
  • : 디버깅 facilities는 에러를 수정 + 지속적인 컴퓨팅을 하게 해준다

자원 공유를 통한 효율적 동작을 위해 다음과 같은 기능을 가진다

• 자원 할당
  • : Special allocation code(CPU cycles, 메인 메모리, 파일 저장소)
  • : General request and release code(I/O 장치)
  • : 가상 메모리와 파일 시스템 등
• Accounting
  • : 누가 어느 자원을 얼마나 쓰는지 기록
• 보호와 보안(Protection & Security)
  • : 여러 프로세스 사이에 보호를 제공한다 (프로세스는 장치에 직접 접근하지 못한다)

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2. User OS 인터페이스

CLI

직접적으로 명령을 Fetch하고 Execute 한다.

Kernel에 Built-in하여 명령한다.

명령 셀로 구현이 되기도 한다.

GUI

마우스, 키보드, 모니터, 아이콘 같은 것들.

 

현재는 CLI와 GUI 인터페이스 둘 다 포함한다

• Windows: GUI with CLI(Command Shell)
• Mac: GUI with UNIX kernel underneath & shells
• Solaris: CLI with optional GUI

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3. System calls

OS가 제공한 서비스로의 프로그래밍 인터페이스이다.

보통 (C나 C++) high-level 언어로 쓰였고,

high-level API(Application Program Interface)를 통해 접근한다 (-> 사용이 쉽고 효율적임)

• ex) Win32 API, POSIX API, Java API

실행

시스템 콜 인터페이스는 OS kernel에 보내고 상태나 값을 return 한다.

시스템 콜을 한 유저는 OS 인터페이스를 알지 못하고 시스템 콜의 결과만 안다. (API 안에 숨긴다)

• ex) C library에서 시스템 콜을 불러 리턴 값을 받아온다.
• ex) User application에서 open() trap을 불러 시스템 콜을 부르고 리턴 값을 받아온다.

[사진 1] 시스템 콜

- 시스템 콜이 변수를 전달하는 유형에는 다음 세 가지가 있다.

• 레지스터에 변수를 저장
• 메모리에 블록(block)으로 저장해 주소 값을 레지스터에 저장
• 스택에 저장

- 각 시스템 콜의 타입과 정보를 나타내는 index가 Table에 있다.

• ex) 레지스터 X에 시스템 콜 13의 주소값을 로드한다

[사진 2] Table을 통한 Parameter Passing

- 시스템 콜의 유형은 다음과 같다

 

[사진 3] 시스템 콜의 유형

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4. 시스템 프로그램

프로그램 개발과 실행을 위한 편리한 환경을 제공한다.

대부분의 유저는 시스템 프로그램으로 정의된 OS를 보게 된다.

이들의 유형은 다음과 같다

• 파일 관리
• 상태 정보
  • : 날짜, 시간, 디스크 공간, …
  • : Output을 Terminal이나 디바이스레 포맷하고 출력한다
  • : 설정 정보를 레지스터에 저장하고 복원한다
• 프로그래밍 언어 지원
  • : 컴파일러(한 덩어리씩), 어셈블러, 디버거, 인터프리터(한 줄씩)
• 프로그램 적제(loading)과 실행
  • : Absolute loaders, relocatable loader, linkage editor, overlay-loaders(필요 없는 메모리에 겹쳐 로딩함), debugging systems, …
• 통신
  • : 프로세스, 유저, 시스템 사이 가상 연결을 만드는 방법

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5. OS 설계 및 시행

편리성, 용이함, 안전, 속도 등을 생각하는 User goals와

디자인, 시행, 유지의 용이함, 에러, 효율성 등을 생각하는 System goals가 맞아야 한다.

 

이는 어떤 것을 할 것인지의 Policy와 어떻게 할 것인지의 Mechanism을 분리시켜 생각하게 된다.

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6. OS 구조

MS-DOS

다음과 같이 메모리가 적어 Layer 분리 없이 곧바로 하드웨어에 접근한다

 

[사진 4] MS-DOS

 

Layered Approach

모듈화가 이루어지면서, 다음과 같이 Layers가 나눠지게 된다.

 

[사진 5] Layered Approach

 

UNIX

하드웨어의 기능성이 제한되면서, 구조에 제한이 생긴다.

그래서 UNIS OS는 시스템 프로그램 / Kernel 을 나눌 수 있게 된다.

결과적으로 Kernel level에서 많은 기능이 몰리게 되고,

단적으로 kernel을 확장할 때 다른 쪽에 영향을 문제가 생길 수 있다.

 

[사진 6] UNIX

 

Microkernel System Structure (UNIX)

User Space을 만들어 사용한다

Message Passing 방식(<-> shared memory)으로 통신한다

이는 다음과 같은 장점이 있다

• microkernel의 확장성
• OS를 새 architectures에 port하기 쉬움
• kernel의 경량화
• 안정성

반대로, 메시지 패싱이 늘어나면 성능에 오버헤드가 생긴다는 단점도 있다.

 

[사진 7] Microkernel System

 

Modules

현대 OS는 kernel 모듈을 시행한다

-> 객체 지향 접근

-> core 요소들이 분리되어 있음

-> Message Passing over known 인터페이스

-> kernel에서 필요할 때 Loadable

 

이는 좀 더 flexible한 Layers 구조라고 할 수 있다.

외부 모듈에 잘 노출되지 않는(narrow) 인터페이스를 통해 상호 작용하는 커널 접근 방식은 유사하다.

하지만, Layers 구조처럼 하위 시스템이 상위 시스템의 작업을 호출할 수 없도록

엄격하게 ordering 하지 않는다.

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7. 가상 머신(Virtual Machines)

가상 머신은 하드웨어와 OS kernel을 모두 하드웨어처럼 취급해 계층화된 접근을 한다.

이는 기본 하드웨어 층과 같은 인터페이스를 제공한다.

OS는 multiple processes와 같이 만들고, 각 자신의 가상 메모리와 프로세서를 가진다.

컴퓨터의 자원을 가상 머신을 만드는 데 나눈다.

 

각 가상 머신은 서로 분리되어 자원을 공유하지 않는다. (protection)

가상 머신은 OS 연구와 개발을 위한 완벽한 수단이다. 이는 시스템 동작에 지장을 주지 않고 이 환경에서 시스템을 개발할 수 있다.

디버그 하기 쉽고, 보안 문제 해결이 용이해지게 되었다.

 

[사진 8] 가상 머신

- VMware: 호스트 OS <-> 게스트 OS(호스트에서 제공된 기능에 매핑하여 서비스를 제공)

- JAVA VM

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8. OS Generation; SYSGEN

SYSGEN 프로그램은 하드웨어 시스템의 특정 설정을 고려한 정보가 포함된다.

 

- Booting: kernel을 loading하여 컴퓨터를 실행한다

- Bootstrap 프로그램: 코드가 ROM에 저장(-> kernel에 위치, 메모리에서 로드, 실행 가능)

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9. System Boot

OS는 하드웨어가 시작할 수 있게 해야 한다.

• 적은 코드: bootstrap loader / kernel에 위치하여 메모리에서 로드하고 실행
• Two-step 프로세스: 특정 위치의 Boot Block이 bootstrap loader를 로드
• Firmware(ROM같은 역할)가 초기 boot 코드를 가진다