17. 운영체제의 큰 그림

운영체제의 큰 그림

커널의 개념, 응용 프로그램 실행을 위한 이중 모드와 시스템 호출

커널이 무엇인지 이해하고, 우리가 개발하고 실행하는 응용 프로그램이 어떻게 운영체제의 도움을 받으며 실행되는지, 운영체제가 응용 프로그램에 어떤 서비스를 제공하는지를 알아볼 것.

운영체제는 사용자를 위한 프로그램이 아닌 사용자가 실행하는 프로그램을 위한 프로그램이다. 즉, 사용자가 실행하는 응용 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕고 필요한 자원을 할당해 주는 프로그램이다.

커널

• 운영체제는 현존하는 프로그램 중 규모가 가장 큰 프로그램 중 하나이다. 대표적인 운영체제인 리눅스를 구성하는 소스 코드는 무려 천만 줄이 넘는다.
• 세상에는 다양한 운영체제가 있다. 운영체제가 응용 프로그램에 제공하는 기능들, 즉 운영체제 서비스 또한 매우 다양하다.
• 다양한 운영체제가 공통적으로 지원하는 핵심적인 서비스들이 있다. 자원에 접근하고 조작하는 기능, 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능이 운영체제의 핵심 서비스에 속한다.
• 운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분을 **커널(kernel)**이라고 한다.
• 어떤 커널을 사용하는지에 따라 우리가 실행하고 개발하는 프로그램이 하드웨어를 이용하는 양상이 달라지고, 결과적으로 컴퓨터 전체의 성능도 달라질 수 있다.

 

운영체제지만 커널에는 속하지 않는 기능

운영체제가 제공하는 서비스 중 커널에 포함되지 않는 서비스도 있는데, 대표적으로 사용자 인터페이스가 있다.

• 사용자 인터페이스(UI; User Interface): 윈도우의 바탕화면과 같이 사용자가 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 통로이다.
• 그래픽 유저 인터페이스와 커맨드 라인 인터페이스가 있다.

 

그래픽 유저 인터페이스(GUI; Graphical User Interface)

• 윈도우 바탕화면이나 스마트폰의 화면처럼 그래픽을 기반으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 인터페이스
• 윈도우 운영체제 컴퓨터를 사용할 때 마우스를 이용해 다양한 프로그램을 실행할 수 있는 것은 윈도우 운영체제가 그래픽 유저 인터페이스를 지원하기 때문이다. 또 우리가 안드로이드 스마트폰 속 다양한 앱을 터치하여 실행할 수 있는 것은 안드로이드 운영체제가 그래픽 유저 인터페이스를 지원하기 때문이다.

 

 

커맨드 라인 인터페이스CLI; Command Line Interface):

• 명령어를 기반으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 인터페이스
• 커맨드 라인 인터페이스는 명령어를 기반으로 컴퓨터와 상호작용하는 인터페이스이기 때문에 아이콘이나 다채로운 그래픽 화면이 없다. 사용자는 컴퓨터를 사용하기 위해 정해진 명령어를 입력함으로써 컴퓨터와 상호작용할 수 있다.

이러한 사용자 인터페이스는 운영체제가 제공하는 서비스이지만, 이는 그저 컴퓨터와 상호작용하기 위한 통로일 뿐 커널에 속한 기능은 아니다. 실제로 같은 커널을 사용하더라도 사용자 인터페이스는 다를 수 있다.

 

이중 모드와 시스템 호출

운영체제는 사용자가 실행하는 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하는 것을 방지하여 자원을 보호한다. 이러한 운영체제의 문지기 역할은 이중 모드로써 구현된다.

• 이중 모드(dual mode): CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 커널 모드로 구분하는 방식이다. CPU는 명령어를 사용자 모드로써 실행할 수 있고, 커널 모드로써 실행할 수 있다.
• 사용자 모드(user mode): 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드이다. 즉, 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 모드이다. 일반적인 응용 프로그램은 기본적으로 사용자 모드로 실행된다. 사용자 모드로 실행 중인 CPU는 입출력 명령어와 같이 하드웨어 자원에 접근하는 명령어를 실행할 수 없다. 따라서 사용자 모드로 실행되는 일반적인 응용 프로그램은 자원에 접근할 수 없다.

• 사용자 모드로 실행되는 프로그램이 자원에 접근하는 운영체제 서비스를 제공받으려면 운영체제에 요청을 보내 커널 모드로 전환되어야 한다. 이때 운영체제 서비스를 제공 받기 위한 요청을 시스템 호출(system call)이라고 한다.
• 사용자 모드로 실행되는 프로그램은 시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스를 제공 받을 수 있다.
• 시스템 호출은 일종의 인터럽트. 인터럽트는 입출력장치에 의해 발생하기도 하지만 인터럽트를 발생시키는 특정 명령어에 의해 발생하기도 하는데, 이를 소프트웨어 인터럽트라고 한다.
• CPU가 시스템 호출을 처리하는 순서는 인터럽트 처리 순서와 유사한다. 시스템 호출을 발생시키는 명령어가 실행되면 CPU는 지금까지의 작업을 백업하고, 커널 영역 내에 시스템 호출을 수행하는 코드(인터럽트 서비스 루틴)를 실행한 뒤 다시 기존에 실행하던 응용 프로그램으로 복귀하여 실행을 계속한다.

일반적으로 응용 프로그램은 실행 과정에서 운영체제 서비스들을 매우 빈번하게 이용한다. 그 과정에서 빈번하게 시스템 호출을 발생시키고 사용자 모드와 커널 모드를 오가며 실행된다.

 

운영체제의 핵심 서비스

운영체제의 핵심 서비스는 프로세스 관리, 자원 접근 및 할당, 파일 시스템 관리다.

프로세스 관리

• 실행 중인 프로그램을 프로세스(process)라고 한다. 컴퓨터를 사용하는 동안 메모리 안에서는 새로운 프로세스들이 끊임없이 생성되고, 사용되지 않는 프로세스는 메모리에서 삭제된다.
• 일반적으로 하나의 CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기 때문에 CPU는 이 프로세스들을 조금씩 번갈아 가며 실행한다. 즉, CPU는 한 프로세스를 실행하다가 다른 프로세스로 실행을 전환하고, 그 프로세스를 실행하다가 또 다른 프로세스로 실행을 전환하는 것을 반복한다.
• 이때 각 프로세스는 상태도, 사용하고자 하는 자원도 다양하다. 입출력장치를 주로 사용하는 프로세스도 있고, 입출력장치는 거의 사용하지 않고 주로 CPU만 사용하는 프로세스도 있다. 또 당장 실행할 수 있는 프로세스가 있는 반면, 당장 실행이 불가능한 프로세스도 있다.
• 운영체제는 다양한 프로세스를 일목요연하게 관리하고 실행할 수 있어야 한다.

자원 접근 및 할당

모든 프로세스는 실행을 위해 자원을 필요로 한다. 그리고 운영체제는 프로세스들이 사용할 자원에 접근하고 조작함으로써 프로세스에 필요한 자원을 할당해준다.

컴퓨터의 4가지 핵심 부품(CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치)

메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품이다. CPU는 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 해석하고, 실행하는 부품이다. 보조기억장치는 전원이 꺼져도 보관할 프로그램을 저장하는 부품이다. 입출력장치는 컴퓨터 외부에 있다.

CPU

일반적으로 메모리에는 여러 프로세스가 적재되고, 하나의 CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있다. 그래서 하나의 프로세스가 CPU를 이용하고 있다면 다른 프로세스는 기다려야 한다. 이에 운영체제는 프로세스들에 공정하게 CPU를 할당하기 위해 어떤 프로세스부터 CPU를 이용하게 할 것인지, 얼마나 오래 CPU를 이용하게 할지를 결정할 수 있어야 한다. 이를 CPU 스케줄링이라고 한다.

메모리

메모리에 적재된 프로세스들은 크기도, 적재되는 주소도 가지각색이다. 같은 프로세스라 할지라도 실행할 때마다 적재되는 주소가 달라질 수 있다. 그래서 운영체제는 새로운 프로세스가 적재될 때 마다 어느 주소에 적재해야 할지 결정해야 한다. 때로는 메모리가 이미 꽉 차 있어 꼭 실행해야 할 프로세스를 적재할 공간이 없는 경우도 있고, 메모리에 공간이 남았는데도 불구하고 프로세스를 적재하지 못하는 상황도 발생한다.

입출력장치

인터럽트 서비스 루틴은 운영체제가 제공하는 기능으로 커널 영역에 있다. 입출력 장치가 발생시키는 하드웨어 인터럽트도 마찬가지다. 입출력장치가 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업한 뒤 커널 영역에 있는 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다. 이처럼 운영체제는 인터럽트를 처리하는 프로그램, 즉 인터럽트 서비스 루틴을 제공함으로써 입출력 작업을 수행한다.

파일 시스템 관리

컴퓨터를 사용할 때는 여러 파일을 열고, 생성하고, 삭제하곤 한다. 그리고 이 파일들을 한데 묶어 디렉터리(폴더)로 관리한다. 자칫 당연해 보이는 이런 파일 시스템file system도 운영체제가 지원하는 핵심 서비스이다.

 

정리

운영체제의 핵심 서비스를 제공하는 부분은 커널이다. 그리고 사용자 프로세스가 커널의 서비스를 제공받기 위해서는(커널 영역의 코드를 실행하기 위해서는) 사용자 모드에서 커널 모드로 전환해야 하고, 이는 시스템 호출을 통해 이루어진다. 즉, 시스템 호출은 커널 모드로써 운영체제의 서비스를 제공 받을 수 있는 방법이다. 그리고 대표적인 커널의 서비스로는 프로세스 관리, 자원 접근 및 할당, 파일 시스템 관리가 있다.