Feat/os basic

contents/posts/os/1/index.md

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+---
+title: "1. 운영체제의 개념과 구조"
+description:
+date: 2025-09-03
+update: 2025-09-03
+tags:
+  - 운영체제
+series: "운영체제"
+---
+
+## 운영체제(OS, Operating System)
+
+[운영체제는 컴퓨터라는 기계 안에서 프로그램과 하드웨어 사이에서 문제없이 그리고 효율적으로 잘 돌아가도록 관리해주는 소프트웨어이다.](https://en.wikipedia.org/wiki/Operating_system#:~:text=An%20operating%20system%20(OS)%20is%20system%20software%20that%20manages%20computer%20hardware%20and%20software%20resources%2C%20and%20provides%20common%20services%20for%20computer%20programs.)
+
+![](img.png)
+
+운영체제가 없으면 어떻게 될까? 꼭 필요할까?
+
+> _A computer is a machine that can be programmed to automatically carry out sequences of arithmetic or logical operations_
+> (컴퓨터는 산술적 또는 논리적 연산(계산)의 순서를 자동으로 수행하도록 프로그래밍할 수 있는 기계이다).
+> [ - wikepedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Computer#:~:text=A%20computer%20is%20a%20machine%20that%20can%20be%20programmed%20to%20automatically%20carry%20out%20sequences%20of%20arithmetic%20or%20logical%20operations%20(computation).)
+
+운영체제가 없다면 컴퓨터는 그저 하드웨어의 집합체에 불과하다. 
+사용자는 프로그램을 실행하기 위해서 매번 하드웨어를 직접 제어해야 하며, 이렇게 하는 것은 매우 비효율적일거다. 
+또한 직접 제어를 한다고 해도 하드웨어의 성능은 제한적이므로 이 환경에서 최대한의 성능을 끌어내기 위해 최적화라는 고통스러운 작업을 해야 할 것이다.
+이러한 상황을 상상해보면 "배보다 배꼽이 더 크다"라는 말이 떠오른다.
+
+실제로 운영체제라는 개념이 있기 전에는 사용자들이 하나의 작업을 위해 펀치카드를 소지하며 관리해야 했다.
+그리고 단순 하드웨어에 올려 실행하는 과정의 방식이기에 한 번에 하나의 프로그램만 실행할 수 있었고, 해당 프로그램이 끝나야 다른 프로그램을 수행할 수 있었다. 
+지금처럼 복잡한 방식의 프로그램은 꿈도 꿀 수 없었을 것이다.
+
+이러한 문제를 해결하기 위해 운영체제가 나왔고, 다음과 같은 목적을 지닌다.
+
+- 사용자에게 컴퓨터의 프로그램을 쉽고 효율적으로 실행할 수 있는 환경을 제공한다.
+- 컴퓨터 시스템 하드웨어 및 소프트웨어 자원을 여러 사용자 간에 효율적 할당, 관리, 보호하는 것
+- 운영체제는 제어 프로그램으로서 사용자 프로그램의 오류나 잘못된 자원 사용을 감시하는 것과 입출력 장치 등의 자원에 대한 연산과 제어를 관리한다.
+
+운영체제은 위와 같은 목적을 위해 다양한 방식을 가지고 있다.
+
+### 일괄 처리 시스템 (Batch Operating System)
+
+사용자의 개입없이 비슷한 작업들을 모아서 순차적으로 처리하는 방식이다. 
+한 작업이 끝나야 다음 작업이 실행되기 때문에 모든 작업이 완료될 때까지 기다릴 수 있는 환경에서 사용된다. 
+주로 대용량 데이터를 처리하거나 시간이 많이 소요되는 작업에 활용되며, 사용자의 개입이 필요하지 않고 반복적인 작업을 일괄적으로 처리할 수 있다.
+
+### 다중 프로그래밍 시스템 (Multi Programming System)
+
+이 방식은 CPU을 최대한 사용하고 하는 방식으로,
+여러 응용프로그램을 메모리에 동시에 올라가 CPU가 쉬지 않고 여러 작업을 번갈아서 실행하며 항상 연산을 수행하는 상태로 활용하는 방식이다.
+하나의 프로그램을 실행하는 동안 다른 프로그램은 대기하거나 I/O 작업 등을 수행하며 메모리에 올라간 상태로 대기하게 된다.
+운영 체제는 이런 과정에서 CPU를 배분하는 작업 스케줄링과 CPU 스케줄링을 진행하며, 
+이를 통해 시스템 자원을 효율적으로 활용하고 응용 프로그램들이 서로 영향을 주지 않으면서 병렬적으로 실행된다.
+
+### 시분할 시스템 (Time Sharing System)
+
+이 방식은 CPU에 대해 일정 시간을 할당 받아 짧은 간격으로 번갈아 실행하는 방식이다. 
+다중 프로그래밍 시스템에서는 Context Switching(CPU 점유 권한 전환)이 I/O작업에서만 발생한다.
+이를 통해서만 스케줄링을 할 경우 하나의 프로세스가 아주 오래 CPU를 독점하고 있는 상태가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
+이를 해결하기 위한 것이 시분할 시스템으로, 다중 프로그래밍과 비슷하지만 모든 프로세스가 특정 시간만 CPU를 점유하고 다른 프로세스에 권한을 넘겨주는 방식으로
+Context Switching 기준 시간으로 시분할을 구현해서 RR(Round-Robin) 알고리즘으로 스케줄링을 한다.
+
+### 대화형 시스템(Interactive System)
+
+앞서 설명한 일괄 처리 시스템은 처리해야할 작업들을 한번에 정의하고 일괄적으로 처리하는 방식이었다.
+이러한 일괄 처리 시스템의 문제점은 처리가 이루어지는 중에 시스템의 상태를 확인하기가 힘들고, 
+작업이 끝나 결과가 도출되기 전까지는 작업을 수정할 수도 없다는 문제점이 있었다.
+이를 보완하기위해 등장한 시스템이 대화형 시스템으로, 
+작업 중에도 사용자가 데이터, 명령 또는 작업을 입력하면 컴퓨터가 즉각적으로 해당 입력에 응답하는 사용자와 컴퓨터 간의 상호작용을 통해 작동하는 방식이다.
+
+## 커널(Kernel)
+
+그럼 우리들의 컴퓨터 속 운영체제는 어떻게 이러한 기능을 수행하고 있을까?
+
+[운영체제의 이러한 핵심적인 부분을 담당하고 수행하는 것이 바로 커널이다.](https://en.wikipedia.org/wiki/Kernel_(operating_system)#:~:text=A%20kernel%20is%20a%20computer%20program%20at%20the%20core%20of%20a%20computer%27s%20operating%20system%20that%20always%20has%20complete%20control%20over%20everything%20in%20the%20system.) 
+
+![](img_3.png)
+커널을 한글로 번역하면 핵심이다! 재밌지 아니한가? 아무튼 다시 돌아와서 커널은 어떻게 운영체제의 기능을 수행할까? 
+
+[커널은 하드웨어를 인터페이스로 제공하여 여러 사용자 또는 여러 프로세스가 하드웨어 즉 리소스를 효율적으로 관리하며 작업을 수행할 수 있도록 해준다.](https://en.wikipedia.org/wiki/Kernel_(operating_system)#:~:text=The%20kernel%27s%20interface%20is%20a%20low%2Dlevel%20abstraction%20layer.%20When%20a%20process%20requests%20a%20service%20from%20the%20kernel%2C%20it%20must%20invoke%20a%20system%20call%2C%20usually%20through%20a%20wrapper%20function.)
+여기서 중요한 점은 커널은 사용자가 직접 제어할 수는 없다.
+그 이유는 보안상 유저 어플리케이션이 함부로 운영체제의 리소스를 건들지 못하게 하기 위해서다.
+그래서 커널에는 하드웨어에 접근이 허가된 커널모드와 그렇지 못한 유저모드로 분리가 되어있다.
+
+![](img_1.png)
+
+커널의 구조는 위 사진과 같은데, 간단한 흐름을 설명하자면 사용자가 유저모드인 어플리케이션을 실행하면서 발생하는 요청이 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환이 된다.
+애플리케이션은 커널모드로 전환되었다가 작업을 끝낸 후 응답을 반환하면서 다시 유저모드로 되돌아 가게 된다.
+여기서 시스템 콜은 뭐지 싶을텐데 [어플리케이션의 요청이 커널에 접근해 시스템에 요청하는 것](https://en.wikipedia.org/wiki/System_call#:~:text=In%20computing%2C%20a%20system%20call%20(syscall)%20is%20the%20programmatic%20way%20in%20which%20a%20computer%20program%20requests%20a%20service%20from%20the%20operating%20system%5Ba%5D%20on%20which%20it%20is%20executed.)으로 간단히 유저모드에서 커널모드로 전환하는 것이라고 생각하면 된다. 
+
+![](img_4.png)
+
+이러한 방식을 통해 사용자의 프로세스가 직접적으로 운영체제의 리소스를 함부로 변경하지 못하게 보호해준다.
+

contents/posts/os/2/index.md

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+title: "2. 커널의 작동 방식"
+description:
+date: 2025-09-04
+update: 2025-09-04
+tags:
+  - 운영체제
+series: "운영체제"
+---
+
+앞서, 운영체제란 무엇인지 그리고 커널에 대해 간단하게 알아봤다.
+이제 커널이 어떻게 작동하는지 제대로 알아보자.
+
+먼저 인터럽트(Interrupt)에 대해 알아야 한다.
+
+![img_3.png](img_3.png)
+
+컴퓨터는 위 사진처럼 주변 입출력 기기와 서로 통신하는데 
+이 과정에서 서로 입출력 요청이 오가는데 이때 입출력 메커니즘들이 발생된다.
+이중 하나가 인터럽트이다. 
+
+![](img.png)
+인터럽트는 중단시키다라는 의미로 초인종과 같다고 할 수 있다.
+즉, 인터럽트가 발생하면 잠깐 멈추고 다시 실행된다.
+
+![](img_1.png)
+
+실제 발생하는 대부분의 인터럽트는 I/O 인터럽트이다.
+예를들면, 우리가 자바에서 print을 할 때 print라는 API를 파일이라는 인터페이스를 통해서 유저모드에서 커널 모드로 시스템 콜이 발생한다.
+유저모드 API에서 커널모드 구성요소에서 시스템 콜이 이어지고 디바이스 드라이버를 제어하기 시작하는데
+[이때 디바이스 드라이버가 인터럽트를 CPU에 요청한다. 이 행위를 IRQ라고 한다.](https://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt_request#:~:text=In%20a%20computer,or%20mouse%20movements.)
+이러한 IRQ는 장치마다 다른 번호로 관리하게 된다.
+아무튼 출력기기에 출력이 되면, 다시 역순으로 디바이스(하드웨어)에서 디바이스 드라이버로,
+디바이스 드라이버에서 커널 모드로 해서 최종적으로 유저 모드로 다시 돌아오게 된다.
+
+![](img_4.png)
+이때, 이러한 행위 도중 wait을 걸면 블라킹(동기) 안걸면 논블라킹(비동기)으로 동작하게 된다.
+
+인터럽트에는 우선순위가 있고 외부 인터럽트인지 내부 인터럽트인지에 따라 우선순위가 달라진다.
+
+먼저, 외부 인터럽트로 내부 인터럽트보다 우선 시 된다.
+
+그 중에서도 우선 순위가 있는데, 다음과 같다.
+- 전원 이상 인터럽트: 말 그대로 정전 또는 파워 이상
+- 기계 착오 인터럽트: CPU의 기능적인 오류.
+- 외부 신호 인터럽트: 타이머 또는, 키보드 인터럽트 키(Ctrl + Alt + Delete). 외부장치로부터 인터럽트 요청이 있는 경우. I/O 인터럽트와 다른 개념이다.
+- 입출력 인터럽트: 입출력 장치가 데이터 전송을 요구하거나 전송이 끝나 다음 동작이 수행되어야 할 경우. 입출력 데이터에 이상이 있는 경우. 우리가 자주 다루게 될 인터럽트 부분이다.
+
+이제 내부 인터럽트인데, 사실 우리가 주로 다루게 될 것은 외부 인터럽트에 있어 내부 인터럽트는 뭐가 있는지만 대강 본다.
+
+- 명령어 잘못 인터럽트: 잘못된 명령어나 잘못된 데이터를 사용할 때 발생하며 Trap이라 부른다,
+- 프로그램 검사
+- 소프트웨어 인터럽트(=SVC, SuperVisor Call)
+
+인터럽트 동작 순서에 대해 다시 살펴보면 다음과 같은데,
+
+1. 인터럽트 요청
+2. 프로그램 실행 중단
+3. 현재 프로그램 상태 보존 -> PCB(Process Control Block), PC(Program Counter) 등
+4. 인터럽트 서비스 루틴 실행: 인터럽트 처리 코드
+5. 상태  복구
+6. 중단 프로그램 실행 재개
+
+![](img_2.png)
+
+이 과정에서 유저모드에서 커널모드로 넘어갈 떄 컨텍스트 스위칭이 되면서 오버헤드가 발생하는데 이로 인해 시스템 상 지연이 발생한다.
+하지만 고성능 어플리케이션을 할 때 이 지연은 꽤나 치명적일 것이다. 
+그래서 위와 같이 DMA(Direct Memory Access)라는 기술을 사용하게 됐다.
+예를들어, DirectX라는 것이 있는데 이는 게임을 할 때 이러한 컨텍스트 스위칭 되는 부분을 건너뛰어 직접 드라이버까지 가는 방식이 있다.
+이렇듯 DirectX처럼 인터럽트 시 컨텍스트 스위칭으로 인한 오버헤드가 발생하면서 지연이 발생하는데 이걸 해소하는 것이 DMA인 것이다.
+정리하자면, [DMA는 RAM에 일정 부분을 예약해 불필요한 컨텍스트 스위칭을 스킵해 오버헤드 방지 및 지연을 획기적으로 줄이는 방식이다.](https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_memory_access#:~:text=DMA%20(%20Direct%20Memory%20Access%20)%EB%8A%94%20%ED%8A%B9%EC%A0%95%20%ED%95%98%EB%93%9C%EC%9B%A8%EC%96%B4%20%ED%95%98%EC%9C%84%20%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%EC%9D%B4%20%EC%A4%91%EC%95%99%20%EC%B2%98%EB%A6%AC%20%EC%9E%A5%EC%B9%98%20(CPU)%20%EC%99%80%20%EB%8F%85%EB%A6%BD%EC%A0%81%EC%9C%BC%EB%A1%9C%20%EC%A3%BC%20%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%20%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%20%EC%97%90%20%EC%95%A1%EC%84%B8%EC%8A%A4%ED%95%A0%20%EC%88%98%20%EC%9E%88%EB%8F%84%EB%A1%9D%20%ED%95%98%EB%8A%94%20%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%20%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%EC%9D%98%20%EA%B8%B0%EB%8A%A5%EC%9E%85%EB%8B%88%EB%8B%A4%20.)
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