#2 운영체제가 하는 일

# 운영체제가 없다면

개발자가 직접 프로그램 코드를 만들다 보면, 여러가지 버그에 맞이하기도 하고 사소한 실수로도 앱이 죽기도 합니다. 만약 [하드웨어 지식이 깊은 시스템 엔지니어들이 만든 운영체제] 를 거치지 않고 프로그램이 직접 메모리 자원을 다루게 된다면 프로그램을 만들기도 정말 어렵겠지만, 만들어도 소프트웨어 버그와는 차원이 다른 문제들이 발생합니다.

 

CPU, 메모리가 버그로 동작하지 않는 건 양호한거고 입출력장치의 호환, 디스크 데이터 손상, 보안상의 문제, 하드웨어 과열등... 멀티 프로세스를 지원하는 현대의 컴퓨터에 운영체제가 없다는 건 말이 안되는 일입니다. 반대로 말하면 도어락, 계산기 같이 단순한 기기는 운영체제를 설치할 필요도 없고 운영체제를 돌릴 수 있는 CPU와 메모리도 없습니다. 그래서 [프로세서-메모리가 있는 폰 노이만 구조]를 따르지도 않고, 이는 컴퓨터라고 볼 수 없죠.

 

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# 컴퓨터 시스템의 동작 구조

우리가 사용하는 컴퓨터의 메인보드에는 바이오스(BIOS, Basic I/O System)이라고 불리는 펌웨어가 내장되어있습니다. 이 바이오스는 하드디스크에 저장된 운영체제를 메모리에 불러와서 프로세서, CPU등을 사용할 수 있는 시스템 사용권한을 넘기게 됩니다. 펌웨어(firmware)란 ROM에 내장되어 한번 적으면 수정할 일이 없는 고정된 소프트웨어라는 의미입니다. 참고로 펌웨어는 CMOS라는 메모리도 읽는데, 여기에는 수은 건전지에 연결되어있어 전원이 꺼졌을 때 시간 같은 정보를 유지하는데 사용됩니다.

 

이렇게 메모리 올라와서 초기설정을 마친 운영체제는 하드디스크에 저장된 프로그램들을 '프로세스'단위로 실행시킬 수 있게 Shell Interface를 통해 다양한 쉘 명령어들을 제공해줍니다. 우리가 Window10 에서 GUI를 통해 마우스 클릭으로 프로그램을 실행시킬 수 있는 이유는 윈도우 탐색기 프로그램(explorer.exe)이 GUI 입력을 받아 Shell에 요청하기 때문입니다.

사용자가 프로그램을 사용하면, 프로그램은 Shell에 명령어 요청을 보냅니다.

이렇게 쉘을 통해 운영체제에 명령을 전달하면, 운영체제 안에 있는 커널(Kernel)은 각 장치(하드웨어)에 알맞는 인터페이스 프로그램을 이용해서 필요한 작업을 처리하게 됩니다. 커널 프로그램이 각 하드웨어 장치의 인터페이스를 이용하여 전기신호로 명령을 내리면 해당 장치에서 데이터를 주고 받아 커널에 응답을 주게 되는거죠.

커널 프로그램이 하는 역할

다만 커널은 I/O 입출력만 담당하는 것이 아니라, 전체 논리적인 파일시스템을 관리하고 잘못된 접근을 막아 보안성을 향상시키며 프로세스와 메모리를 효율적으로 쓰기위해 아래와 같은 기능들 제공합니다.

1. 프로세스(혹은 Thread) 관리 및 CPU Scheduling
   - 프로세스마다 CPU를 사용할 수 있는 시간을 분배 및 관리한다.
2. 메모리 관리
3. I/O Device 관리
4. IPC (Inter Process Communication): 한 컴퓨터 내부의 프로세스끼리 통신을 도와줌
5. 네트워크: 다른 컴퓨터와의 통신을 가능하게 함.
   - TCP/IP 기반의 인터넷에 연결하거나, 응용 프로그램이 네트워크를 사용하려면 운영체제에서 네트워크 프로토콜을 지원해야 한다. 현재 상용 OS들은 다양하고 많은 네트워크 프로토콜을 지원한다.
6. File System
   - 논리적인 I/O 제공 유저가 특정 파일을 요청하면 실제 메모리 주소와 맵핑
   - 파일 저장 및 삭제, 접근 권한에 따른 파일 보호

이렇게 커널은 사용자와 하드웨어의 영역을 분리시켜, 사용자가 하드웨어를 몰라도 쓸 수 있게 만들어줍니다.

 

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# 운영체제가 제공해주는 기능

위에서 말한 기능들을 조금 더 어려운말로 바꾸면, 아래와 같습니다.

• User Interface
  - CUI, GUI (콘솔, 그래픽 출력을 할 수있게 해주는 인터페이스)
  - EUCI (End-User Comfortable, 즉 개발자가 아닌 사용자에게 제공하는 기본 GUI)
• Resource Management
  - 하드웨어 자원 관리 (프로세서, 메모리, 입출력장치등)
  - 소프트웨어 자원 관리 (파일, 앱, 네트워크, 신호등)
• Process and Thread Management
  - 운영체제에서 동작하는 소프트웨어에 자원 할당, 즉 프로세스와 스레드 관리
• System management
  - 소프트웨어의 잘못된 메모리 접근 방지, 시스템 보호, 보안

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# 운영체제의 구분

운영체제는 집에서 컴퓨터를 사용하는 경우를 포함해서, 서버

• 동시 사용자 수 (개인용 vs 서버용)
• 동시 실행 프로세스 수 ( 싱글 Task vs 멀티 Task )

현대의 운영체제는 멀티테스킹을 지원합니다.

 

# 작업 수행 방식 (사용자 입장에서의 작업환경)

운영체제가 등장하게된 역사를 배워보며 아래와 같은 작업수행방식을 배워봅시다.

• Batch Processing
• Time-sharing
• Distribute Processing
• Real-time 

 

@ 1940년대 이전 (sequential processing)

운영체제라는게 없었습니다. 사용자가 프로세서, 메모리를 전부 조작해야 했고 기계어의 형태로 프로그램에 해당하는 전기신호를 입력을 했었습니다. 각각의 작업들은 순차적으로(Sequential) 처리되는게 당연했고, 작업이 교체될 때 마다 준비하는 시간이 필요했었죠.

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@ Batch System( 1950~1960 )

나름 운영체제의 역할을 하는 중앙시스템 개념이 등장하였습니다. Batch 시스템이란 사용자의 요청 작업(천공카드)를 모아놨다가 모든 시스템을 중앙(전자계산소)에서 일정 시간마다 한번에 처리하는 방식이죠. 여기에서 등장한 Batch라는 용어는 지금의 윈도우 운영체제에서 일정시간마다 명령어를 자동으로 실행하는 배치파일(.bat)에도 사용되고 있습니다. 

그래도 기계어로 프로그램을 만드는건 변함 없었습니다.

Batch System은 비슷한 명령들은 중앙 시스템에서 한번에 모아 처리하기에 처리효율이 향상되었긴 합니다. 하지만 개인적인 관점에서는 내 프로그램이 실행되고 결과가 나오기까지 엄청 오래 기다려야 했죠.(그 당시 5~6시간)

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@ Time Sharing System( 1960~1970 )

그래서 개선된 것이 바로 시분할 시스템입니다. 더 이상 기다리지 않고도 CPU,메모리 자원을 나눠서 쓸 수 있게 만든것이었죠. Time Sharing System을 통해 사용자(내 프로그램)의 명령에 대해 중앙에서 실시간으로 요청, 응답받을 수 있어 사용자 지향적 시스템, 대화형(interactive) 시스템이라고도 불렸습니다.

 

시분할 시스템에서 각 사용자들이 자원들을 공유하고 효율적으로 쓰기 위해 연구하게 되었고, 실제 메모리 주소가 아닌 논리적인 파일시스템과 가상메모리라는 개념과 사용자와 중앙시스템을 연결하는 터미널이라는 개념이 등장하였습니다.

완벽한 결과가 나오기까지에는 시간이 오래걸렸지만, 그래도 사용자가 실시간으로 진행상황을 볼 수 있었죠.

사용자 측면에서는 생산성도 향상되고 너무 좋았지만, 그만큼 네트워크 비용이 증가하고 시스템 부하가 커졌습니다. 시분할 시스템은 사용자 단말기가 터미널로 중앙시스템에 접속하는 형식이라 보안에 관련된 문제가 생겼습니다.

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@ Personal Computing ( 1970~ )

그리고 하드웨어 자원들이 공장에서 만들어내고, 가격이 저렴해지며 사람들은 욕심을 내기 시작합니다.

사용자 단말기에서 중앙으로 요청을 보내지말고, 그냥 단말기 자체에서 연산을 해버리면 안되나?

그렇게 등장한 것이 바로 개인용 컴퓨터, PC입니다. 동시사용자가 1명이기에 OS가 상대적으로 단순했고 개인이 시스템을 독점하는 형식이라 응답시간이 빨랐죠. 물론 초창기에는 비싸고 성능이 안좋았습니다만 시간이 지나며 기술이 발전하고, 가격도 저렴해져 지금은 누구나 PC를 사용할 수 있게 되었습니다.

 

이렇게 발전하며 지금은 하나의 시스템에서 여러 프로세스를 동시에 처리하는 병렬 시스템과, 네트워크를 기반으로 여러 컴퓨터가 연결되어 동작하는 분산처리 시스템등이 나오게 되었죠.

P2P공유, 클라우드 서비스도 분산처리 시스템이 발전한 것이라고 생각하면 됩니다.

이 모든 것이 운영체제에서 지원해주는 당연한 기능이지만, 처음부터 제공되던 것은 아니었답니다. 여기까지 내용은 운영체제 소개에 관한 내용이었습니다. 정보처리기사등에는 이런 부분도 자세하게 시험문제로 나오기도 합니다만은 적당히 넘어가도록 하고, 다음 글부터는 CS에 도움되는 운영체제의 동작과정에 대해 알아보도록 하겠습니다.