[운영체제] 운영체제(Operating System)란?

운영체제

사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이며, 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 역할을 함.

참고로, 운영체제와 비슷하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 '펌웨어(firmware)'라 한다.

 

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어느 프로세스에 할당할지 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리함. 

2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당할지 관리함.

3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리함.

4. I/O 디바이스 관리 : 마우스, 키보드 등과 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리함.

 

운영체제의 구조

운영체제는 유저 프로그램과 하드웨어 사이에 위치하고, GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버로 구성된다.

분홍색 칸이 운영체제의 구성요소

참고로, 리눅스 운영체제는 GUI가 없고 CUI(Command User Interface)가 있다.

* GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태로, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 한다.

* CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

* 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

시스템콜

시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다.

유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용한다.

ex) 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면, 올바른 I/O 요청인지 확인한 후, 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

* I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일

예를 들어, 파일 시스템을 읽는 함수인 fs.readFile()가 유저 프로그램에서 호출되었다면, 이때 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.

이러한 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고, 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.

 

위 그림과 같이, 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떤 요청을 할 때, 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 이를 통해 어떤 하드웨어나 영역에 대한 처리를 표준화된 방식으로 수행할 수 있다. 예를 들어,

네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고도 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

 

modebit

시스템콜이 작동할 때, modebit를 이용해서 유저 모드와 커널 모드를 구분하며, modebit는 0 또는 1의 값을 가지는 플래그 변수이다.

커널 모드는 0, 유저 모드는 1로 설정된다.

 

카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 보안을 위해서 운영체제를 통해서만 작동해야 한다.

예를 들어, 카메라를 켜는 프로그램에서 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켜는 등 불법적인 접근이 쉽다.

이를 방지하기 위해, 사용자 및 프로세스에 대한 접근 권한을 부여하거나 제한하는 운영체제를 통해서 작동해야 한다.

(100% 막을 수  있는 건 아니지만 방지하기 쉽다.)

이를 위한 장치가 바로 modebit이다. 

위 그림처럼 유저 프로그램이 카메라를 이용하려 할 때 시스템콜을 호출하고 modebit를 1에서 0으로 바꾸면서 유저 모드에서 커널 모드로 변경한 후에, 카메라 자원을 이용한 로직을 수행한다.

이후 modebit를 0에서 1로 바꿔서 커널 모드에서 유저 모드로 변경한 이후 로직을 수행함.

 

* 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드

* 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

* 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자, 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, IO 디바이스, IO 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 함.