[OS] 운영체제의 구조

Operating System Note 3

Posted by Sol on January 10, 2021 · 5 mins read

운영체제를 책을 빌려주는 ‘도서관’이다.

시스템 리소스(책)를 필요로 하는 시민(응용 프로그램)에게 적절한 책을 찾아서 제공하며,

대여기간이 다 되면, 책을 ‘회수’한다.

  • 운영체제는 응용프로그램이 요청하는 메모리를 허가, 분배한다.
  • 운영체제는 응용프로그램이 요청하는 CPU시간을 제공한다.
  • 운영체제는 응용프로그램이 요청하는 IO DEVICES 사용을 허가/제어한다.

사용자 –(요청)–> 응용프로그램 –(요청)–> OS –(제어, 허가)–> 하드웨어 리소스

  • 운영체제는 사용자 인터페이스를 제공한다 : 쉘(Shell)이라는 프로그램이 사용자의 요청을 받아 그 요청을 운영체제에 넘겨준다.

  • image_1

    ex) ls 명령어를 cmd창에 입력한다 : 운영체제에 ‘파일 리스트를 보여줘’라는 요청을 보내고, 그 결과 운영체제가 현재 경로의 파일 리스트를 cmd에 출력해준다.

    • Shell은 터미널환경과, GUI환경으로 구분된다.
    • Shell도 또한 하나의 응용프로그램(Applciation)이다.

  • 운영체제는 사용자뿐만 아니라 응용프로그램을 위해서도 인터페이스를 제공한다.

    • 응용프로그램은 운영체제와 프로그래밍 language를 통하여 운영체제와 소통한다.

      —-> 특정 코드를 통해 운영체제의 기능 사용을 요청한다.

    • OS가 제공하는 이러한 인터페이스를 시스템 콜(System Call)이라 한다.

      • 시스템콜은 직접 사용하기에 어려움이 있다 –> 일일히 세부사항을 직접 코딩하기가 어렵다.
      • 따라서 프로그래밍 언어들은 이 시스템콜을 편리하게 사용하기 위한 수단으로 여러가지 함수를 library 형태로 제공한다.
      • 운영체제가 응용프로그램에 제공하는 이 인터페이스를 Application Programming Interface, API 라고 한다.
      • API는 어떤 형태로 제공되는가 ? : 함수의 형태로 제공하며, 일반적으로 라이브러리형태로 제공한다.

      ex) C언어의 open() 함수 : 파일을 연다. –> 파일은 저장매체(storage)에 있는 data이므로, 저장매체의 리소스를 제어할 수 있어야 한다(운영체제의 역할).

      ex2) C언어의 printf() 함수 : 모니터(IO device)에 문자열을 출력해야 한다.

      ​ (1) printf() 함수가 user mode에서 실행된다.

      ​ (2) printf() 함수의 실행은 stdio 라이브러리를 호출한다.

      ​ (3) stdio 라이브러리는 시스템콜인 write() API 함수를 호출한다.

      ​ (4) 실행의 흐름이 kernel mode로 전환되고, 커널이 호출을 실행하고 모니터에 글자를 출력한다.

      ​ (5) 실행의 흐름이 다시 user mode로 전환된다.

    • API는 함수의 집합이므로, 따라서 API는 요청서의 집합이라고 할 수 있다 : 응용프로그램이 필요로 하는 요청 종류(ex)파일 열기, 파일 닫기, 파일 쓰기, 화면 깜빡임…..)를 함수형태로 만들어 모아놓은 것이기 떄문이다.

    • 따라서, Shell 프로그램 또한 API를 통해 만들어졌음을 알 수 있다. Shell은 운영체제에 요청을 보내서 사용자가 필요한 결과를 얻어내게 하는 프로그램이므로, 운영체제의 API를 활용해야만 한다.

    응용프로그램은 OS가 제공하는 Interface(System Call)을 통해서만 자원을 사용할 수 있다.

    운영체제는 응용프로그램이 자원을 활용할 수 있도록 함수 형태의 API를 제공한다.

    시스템 콜은 운영체제 기능을 호출하는 함수이고, API는 각 언어별(C, JAVA..) 운영체제 기능 호출 인터페이스 함수이다.

  • 운영체제의 개발 순서

    • Kernel 개발 –> 시스템 콜 개발 –> 각 언어별 API 개발 –> Shell 개발 –> 응용프로그램 개발
    • 시스템 콜을 개발할 때, 시스템 콜을 정의한 표준이 존재한다 :
      • (유닉스계열)POSIX API, 윈도우 API

CPU Protection Rings

  • CPU도 권한모드를 가지고 있다 : 사용자모드 / 커널모드

    Kernel 이란 ? 사전적 의미는 ‘핵심’, ‘알맹이’이다. OS에서의 ‘핵심 소프트웨어’를 커널이라 한다.

    즉, 커널모드는 OS가 CPU를 사용할 때 쓰는 모드이다.

    Shell 이란? 커널의 껍데기를 뜻한다.

    • 여기서 커널모드는 특권 명령어 실행과 원하는 작업 수행을 위한 자원 접근을 가능케 하는 모드이다 : 특별한 자원을 접근해야하는 경우, 커널모드가 아니면 실행되지 않도록 하는 것.

    image_1

    ​ (출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Protection_ring )

    • CPU는 ring level별로 나누어져 있는데, 커널은 Ring 0, 응용프로그램은 Ring 3를 쓴다.
    • 즉 핵심 자원에 접근하는 특권 명령어를 실행하려면 커널모드가 되어야 하고, 사용자 모드에서는 접근할 수 없다.

    image_1

    • 우리가 만드는 Application은 맨 윗 단에서 돌고 있다.
    • 예를 들어, 다음과 같은 명령을 실행한다고 해 보자.
      • 1~100까지 for문으로 더한 결과를
      • 특정 파일의 data를 불러와서
      • 그 data값과 다시 더하고 출력한다.
    • 이 때, for문으로 수를 더하고 출력하는 것은 응용프로그램레벨에서 수행되지만, 특정 파일의 data를 불러오는 것은 Disk에 접근하여 file을 읽어야 하기 때문에 OS에 자원에 접근해달라는 요청(시스템 콜)을 보내야 하고, 따라서 Kernel 모드를 켜야 한다.
    • 따라서, 어떤 프로그램이 실행될 때 어떤 때는 CPU가 사용자 영역에서 실행되지만, 어떤 때는 Kernel 영역에서 실행된다.
int main(){
    fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if(fd == -1){
        printf("파일을 열지 못했음");
        return 1
    }else{
        printf("파일을 열었음");
        return ();
    }
}
// main함수는 '사용자모드'이다.
// 위 코드에서 open() 함수는 파일을 여는 '시스템 콜'이다. --> 'Kernel 모드'로 변경된다.
// open() 함수가 끝난 후 if절부터는 다시 '사용자 모드'이다.

따라서, System Call은 Kernel 모드에서 실행된다. 어플리케이션은 사용자 모드에서 실행된다.

  • 커널 모드에서만 실행 가능한 기능들이 있으며(하드웨어 자원 접근),
  • 커널 모드로 실행하려면 반드시 시스템 콜을 사용해야(거쳐야) 한다.
  • 시스템 콜은 운영체제가 제공한다.

컴퓨터는 응용프로그램 단과 Kernal(시스템) 단으로 나누어져 작동하기 때문에,

프로그래머도 ‘응용프로그래머’와 ‘시스템프로그래머’로 나누어진다.

위 내용은 ‘패스트캠퍼스’의 컴퓨터공학 강좌 내용을 요약 정리한 것임을 밝힙니다. (https://www.fastcampus.co.kr/)

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