[OS Concepts] 1. Introduction

'Operating System Concepts - 10th edition' 을 읽고 정리한 내용입니다.

1.1 What Operating Systems Do

• 컴퓨터 시스템을 네 가지로 나누는 관점
  • hardware
    • ex) CPU(Central Processing Unit), 메모리, I/O 장치
    • 시스템의 기본적인 연산 리소스 제공
  • application programs
    • ex) 스프레드시트, 컴파일러, 웹 브라우저
    • 유저의 컴퓨팅 문제를 풀기 위해 리소스를 어떻게 사용할 것인지 정의
  • user
  • operating system
    • 하드웨어 자체를 조종하고, 다양한 user의 니즈를 위한 application program들의 하드웨어 사용을 조정
• 컴퓨터 시스템을 세 가지로 나누는 관점
  • hardware
  • software
  • data
• 운영체제는 다른 프로그램들이 유용한 일을 할 수 있게 environment를 제공하는 역할
  • 그 자체로는 큰 기능을 하는 것이 아니다

앞으로는 User의 관점과 System의 관점에서 Operating System을 살펴볼 것이다.

1.1.1 User View

• OS의 목적
  • 많은 컴퓨터 사용자는 랩탑, PC 등을 통해 컴퓨터를 사용한다.
  • 이러한 경우 사용 편의성, 성능, 보안이 목적
  • 유저의 관점에서 자원 활용(resource utilization) 에는 신경쓰지 않는다.

1.1.2 System View

• OS의 목적
  • 자원 할당(resource allocator)
  • control program

1.1.3 Defining Operating Systems

• 보편적으로 통용되는 정의는 없다.
  • 다양한 컴퓨터 시스템이 존재하므로
• 보통 "OS는 컴퓨터에서 항상 돌아가고 있는 단 하나의 프로그램"이라는 정의가 많이 쓰임
  • Kernel이 그 하나의 프로그램
  • System program : OS와 같이 제공되지만 커널의 일부는 아닌 프로그램
  • application programs : 시스템 운영과 상관 없는 모든 프로그램
  • 모든 프로그램은 Kernel, system program, application programs 범위 안에 존재
• 오늘날 일반적 목적의 OS들은 middleware도 포함
  • 데이터베이스, 멀티미디어, 그래픽 등 애플리케이션 개발자의 편의를 위한 추가적 서비스도 제공

1.2 Computer-System Organization

• 컴퓨터 시스템의 운영
  • 하나 이상의 CPU와 디바이스 컨트롤러가 공유 메모리에 대한 접근을 제공하는 bus를 통해 연결된 구조
  • CPU와 디바이스는 concurrent하게 실행될 수 있고 메모리 사이클을 위해 경쟁한다.
• 디바이스 컨트롤러
  • 특정 디바이스 타입을 책임진다
  • local 버퍼를 가짐
  • OS는 device driver를 가지고 이를 통해 디바이스 컨트롤러에 대한 접근 가능

1.2.1 Interrupts

• I/O 작업
  • 디바이스 드라이버가 디바이스 컨트롤러 레지스터에 적재함으로써 I/O 명령을 내림
  • 디바이스 컨트롤러가 이를 확인하여 작업 수행
  • 디바이스 드라이버는 OS의 다른 부분으로 제어권을 넘김
  • 디바이스 컨트롤러가 작업을 끝내면 디바이스 드라이버에게 작업이 끝났다고 interrupt를 통해 알리게 된다.
• Interrupt가 발생하면 적절한 Interrupt service routine으로 제어권이 넘어가야 한다.
  • 보통은 interrupt 정보를 확인하기 위한 일반적인 루틴을 호출하면 그 루틴이 특정 interrupt에 해당하는 핸들러를 호출한다.
  • interrupt 처리를 빠르게 하기 위해 핸들러 주소는 메모리의 낮은 주소에 interrupt vector로 저장해놓는다
    • 각 인터럽트의 핸들러를 배열 형태로 저장해놓은 형태
    • interrupt에 해당하는 고유 번호를 인덱스로 해서 배열에서 찾게 된다.
• Interrupt가 발생하면 interrupt 당한 시점의 상태 정보를 저장해야 한다.
  • interrupt 서비스로 인해 프로세서의 상태 정보가 덮어씌워지더라도 서비스가 마무리되면 다시 기존 작업으로 돌아오기 위함

기본적인 Interrupt 구현

• CPU 하드웨어에 interrupt-request line라는 장치가 존재
  • 디바이스 컨트롤러는 interrupt-request line에 시그널을 assert함으로써 interrupt를 raise한다.
  • CPU는 interrupt를 catch하고 이를 interrupt 핸들러로 dispatch한다.
  • 핸들러는 디바이스를 서비스하여 interrupt를 clear한다

모던 OS의 Interrupt 구현

• 다음과 같이 보다 복잡한 interrupt 핸들링 피쳐가 보통 요구된다.
  • 크리티컬한 프로세싱 중에는 인터럽트 핸들링을 미룰 수 있어야 한다.
  • 효율적인 방식으로 인터럽트를 디바이스의 적절한 핸들러에 디스패치해야 한다.
  • OS가 인터럽트의 우선순위를 구별하여 긴급도에 따라 응답할 수 있도록 멀티레벨 인터럽트 체계가 있어야 한다.
• 이러한 기능들은 CPU와 interrupt-controller hardware를 통해 제공
• How?
  • request line을 두 개로 구분
    • nonmaskable interrupt와 maskable interrupt
    • maskable interrupt line은 CPU가 크리티컬한 인스트럭션의 일련을 실행하기 전에 끌 수 있음
  • interrupt chaining을 통해 인터럽트 핸들러 탐색을 여러 벡터로 분산
    • 보통의 컴퓨터는 인터럽트 벡터의 길이보다 더 많은 수의 디바이스를 가지므로 디바이스 핸들러도 벡터의 길이보다 많다.
    • 따라서 테이블 요소는 또 다른 인터럽트 핸들러 벡터의 주소를 가리킬 수도 있다.
    • 여러 테이블로 분산되면서 dispatch 과정의 비효율성이 조금 늘어나긴 했지만 단일 테이블의 비효율성을 위해 약간의 타협을 한 것
  • interrupt priority levels 시스템을 통해 low-priority 인터럽트를 masking하지 않으면서도 high-priority 인터럽트가 선점되어 실행될 수 있도록 해두었다.

1.2.2 Storage Structure

• CPU는 메모리에서만 인스트럭션을 불러올 수 있다.
  • 따라서 모든 프로그램은 실행을 위해 메모리에 로드되어야 한다.
• RAM(Random-Access Memory)
  • rewritable memory
  • main memory
  • 보통 DRAM(Dynamic Random-Access Memory) 으로 구현됨
  • volatile한 특성 : 전원이 꺼지면 기록이 사라짐
• ROM or EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)
  • 전기적으로 지울 수 있는 메모리
  • 펌웨어(firmware) 를 ROM으로 동일시하여 부르는 경우도 있음
  • 컴퓨터 부팅 시 동작하는 bootstrap program을 여기에 기록한다.
• 모든 형태의 메모리는 byte의 배열을 제공
  • 각 byte는 고유한 주소를 가진다.
  • 특정 메모리 주소에 load 나 store 인스트럭션을 수행하여 메모리와 상호작용
    • load : 메인 메모리에서 CPU의 내부 레지스터로 byte나 word를 옮기는 인스트럭션
    • store : 레지스터에서 메모리로 옮기는 인스트럭션
    • 그 외에 CPU는 기본적으로 program counter에 저장된 location에서 프로그램을 실행하기 위해 자동적으로 메모리에서 인스트럭션을 불러오기도 한다.
• 메인 메모리는 보통 작고 volatile하기 때문에 secondary storage를 둠
  • ex) HDDs, Nonvolatile memory (NVM) devices
• tertiary storage
  • ex) Optical disk, magnetic tapes
  • 백업 카피 보관 등의 목적
• 여러 저장 매체 사이에는 보통 size와 speed 사이의 trade-off가 존재
  • 계층적으로 분류할 수 있음
• Volatile / nonvolatile로 구분 가능
• 용어 정리 :
  • memory : volatile storage
  • NVS(nonvolatile storage)
    • mechanical : HDDs, optical disks, holographic storage, magnetic tape, etc.
    • electrical : FRAM, NRAM, SSD, etc.
      • NVM으로 부르기도 할 것.
• mechanical storage가 보통 electrical storage에 비해 더 크고 바이트 단위에서 더 저렴하다.
• electrical storage는 보통 mechanical storage에 비해 더 비싸고 작고 빠르다.

1.2.3 I/O Structure

• 인터럽트를 통해 I/O를 다루는 것은 데이터 크기가 크면 무리가 될 수 있다.
  • 매 바이트마다 인터럽트를 통해 cpu를 거쳐야 하는 방식?
• Direct memory access(DMA) 를 통해 디바이스에서 메모리로 큰 데이터를 옮기는 방식을 통해 해결
  • 디바이스 컨트롤러가 I/O 디바이스에 대해 버퍼, 포인터, 카운터 등을 세팅하고 디바이스에서 메모리로 데이터 블럭 전체를 전송한다(혹은 그 반대 방향으로)
  • CPU의 간섭 x
  • 바이트마다 인터럽트를 발생시키지 않고, 데이터 블럭 하나의 전송이 끝났을 때만 디바이스 드라이버에 오퍼레이션이 끝났음을 알리는 인터럽트를 발생시킨다.
• 몇몇 하이엔드 시스템은 bus 구조 대신 switch를 사용
  • 컴포넌트간 통신을 공유 bus에서 경쟁하지 않고 스위치 상에서 동시적으로 진행할 수 있다.
  • 그렇게 되면 DMA가 더 효율적으로 이루어질 수 있음

1.3 Computer-System Architecture

1.3.1 Single-Processor Systems

• single processing core의 general-purpose CPU만 존재

1.3.2 Multiprocessor Systems

• symmetric multiprocessing(SMP)
  • 모든 프로세서가 모든 작업 동일하게 수행 가능
  • 기존의 싱글코어-멀티칩 멀티프로세싱 구조 :
    • 하나의 프로세서는 하나의 코어, 하나의 레지스터, 하나의 캐시 지님
  • 멀티코어 시스템 :
    • 하나의 프로세서는 여러 개의 (코어, 레지스터, L1 캐시), 코어간 공유되는 L2 캐시를 지닐 수 있음
• non-uniform memory access (NUMA)
  • 각 CPU (또는 CPU 그룹)에 각자의 로컬 메모리를 제공하여 작고 빠른 로컬 bus로 연결하고, CPU끼리는 shared system interconnect로 연결
  • 기존 방식에서는 스케일이 증가할수록 시스템 bus 접근이 집중되어 경합이 발생 => NUMA는 그럴 일이 적음
  • 단점 : 한 CPU가 다른 CPU에 있는 로컬 메모리에 접근해야할 때는 성능 이슈가 생길 수 있음. 주의 깊은 CPU 스케쥴링이 필요.
• blade servers
  • 여러 개의 프로세서 보드, I/O 보드, 네트워크 보드가 하나의 섀시에 위치하는 구조
  • 전통적인 멀티프로세서 시스템과의 차이점은 각 blade processor 보드가 독립적으로 부팅되고 각자의 OS를 구동한다는 점
  • 각 blade-server 보드가 멀티프로세서 시스템으로 이루어져 있을 수도 있음

1.3.3 Clustered Systems

• 멀티프로세서 시스템의 일종
• 앞에서 설명한 멀티프로세서와의 차이점은 두 개 이상의 독립적인 (일반적으로) 멀티코어 시스템으로 구성되어 있다는 점
  • 느슨하게 결합된 구조
• 보통 고가용성을 위해 사용됨

1.4 Operating-System Operations

• OS는 프로그램이 실행되는 환경을 제공
• 컴퓨터가 켜지면 펌웨어 내부에 저장된 부트스트랩 프로그램이 로드되어 실행된다.
  • CPU 레지스터, 디바이스 컨트롤러, 메모리 내용물까지 시스템의 모든 측면을 초기화
  • OS 커널의 위치를 찾아 메모리로 커널을 로드
• 커널이 로드되어 실행되면 시스템과 유저를 위한 서비스를 제공
  • 커널과 별개로 돌아가는 시스템 프로그램에서도 이러한 서비스를 제공
    • 시스템 프로그램은 부팅 시간에 메모리에 적재되고 커널이 실행될 동안에는 계속 동작한다.
    • ex) 리눅스의 systemd : 처음 실행되는 시스템 프로그램이고 다른 daemon들을 실행시켜준다.
• 부팅이 끝나고 실행시킬 프로세스, 서비스할 I/O 장치, 응답할 유저가 없다면 OS는 이벤트가 발생할 때까지 대기
  • 이벤트는 대개 인터럽트의 발생을 통해 시그널을 보낸다.
    • trap (or an exception) : 소프트웨어가 발생시키는 인터럽트 (앞에서는 하드웨어가 발생시키는 인터럽트를 살펴봄)
      • 에러로 인해 발생 하거나 (ex. division by zero, invalid memory access)
      • system call을 통해 발생
        • system call : 유저 프로그램이 OS 서비스를 통해 특정 오퍼레이션을 실행시키기 위한 요청1.4.1 Multiprogramming and Multitasking
• Multiprogramming
  • 하나 이상의 프로그램을 동시에 실행
  • 멀티프로그램 시스템에서 실행중인 프로그램을 process라고 부름
  • 하나의 프로세스가 I/O 작업과 같이 어떤 작업의 종료까지 기다려야 할 때, OS는 다른 프로세스 실행으로 스위치
• Multitasking
  • 멀티프로그래밍의 논리적 확장
  • CPU가 여러 개의 프로세스를 아주 빠른 간격으로 스위칭하면서 실행하여 유저에게 빠른 응답 시간을 제공
• 메모리에 여러 개의 프로세스 존재 -> 메모리 관리의 필요성
• 실행시킬 프로세스가 여러 개 존재 -> 다음 차례에 어떤 프로세스를 실행시킬지 - CPU scheduling

1.4.2 Dual-Mode and Multimode Operation

• User mode & Kernel mode(supervisor mode, system mode, privileged mode)
• Mode bit를 통해 현재 작업의 모드를 표시 : 커널 (0) or 유저 (1)
  • 몇몇 위험할 수 있는 인스트럭션은 커널 모드에서만 실행 가능하도록 해놓음 : privileged instructions
  • 유저 코드가 시스템 콜을 호출하면 하드웨어가 커널 모드로 전환시키고, 시스템 콜 return 직전에 유저 모드로 전환한다.

1.4.3 Timer

• 프로세스가 무한 루프에 빠지거나 OS로 영원히 제어권을 넘기지 않는 상황을 방지
• OS는 카운터를 초기화하고 하나씩 감소시킴
• 카운터가 0이 되면 인터럽트를 발생시킴
• 유저 코드에 제어권을 넘기기 전에 OS는 타이머를 설정하여 시간이 초과하면 제어권을 가져오거나 프로세스를 종료하도록 한다.

1.5 Resource Management

1.5.1 Process Management

• Process는 실행 상태의 프로그램
  • 프로그램은 passive entity, 프로세스는 active entity
    • 두 프로세스가 하나의 프로그램 내에서 돌더라도 둘은 서로 다른 실행 시퀀스를 가지게 된다.
  • 시스템의 작업 단위
• 프로세스는 작업 완료를 위해 리소스를 필요로 함
  • CPU, 메모리, I/O, 파일
  • 초기 데이터(input)
• 프로세스 종료시 OS는 리소스를 회수해 간다.
• 싱글 스레드 프로세스는 하나의 program counter를 가진다.
  • program counter : 다음 실행시킬 인스트럭션의 위치를 가지고 있는 레지스터
  • 멀티 스레드 프로세스는 스레드 당 하나의 program counter를 가진다.
• 일반적으로 시스템은 하나 이상의 CPU에서 동시에 돌아가는 프로세스를 가지고 있는다.
  • 몇몇은 유저 프로세스, 나머지는 시스템 프로세스
  • 프로세스/스레드 간에 CPU를 multiplexing하여 동시성을 달성

1.5.2 Memory Management

• 메모리 관리를 통해 메모리 위에 여러 프로그램이 있을 수 있도록 해준다.
• OS의 메모리 관리 :
  • 메모리 어느 부분이 어느 프로세스에 의해 사용되고 있는지 추적
  • 필요한만큼 메모리 공간을 할당/해제
  • 어떤 프로세스(혹은 일부)와 데이터가 메모리에 들어올지 혹은 나갈지 결정

1.5.3 File-System Management

• File
  • 저장 장치의 물리적 속성을 추상화한 것
  • OS는 파일을 물리 매체에 맵핑하고 storage device를 통해 파일에 접근한다.
• OS는 파일 관리와 관련하여 다음을 책임진다.
  • 파일 생성/삭제
  • 파일정리를 위해 디렉토리 생성/삭제
  • 파일 및 디렉터리 조작을 위한 기본 요소 지원
  • 파일을 mass storage에 맵핑

1.5.4 Mass-Storage Management

• Secondary storge를 통해 메인 메모리를 보조.
• 대부분의 컴퓨터는 HDDs, NVM 장치 등을 프로그램과 데이터의 주된 저장 장치로 사용한다.
  • 프로그램의 소스이자 목표점
• OS는 Secondary storage 관리와 관련하여 다음을 책임진다.
  • Mounting / Unmounting
  • 유휴 공간 관리
  • 스토리지 할당
  • 디스크 스케쥴링
  • 파티셔닝
  • Protection
• 물론 Tertiary storage도 OS가 관리한다.

1.5.5 Cache Management

• Caching : 느린 저장 공간에 있는 데이터를 임시로 더 빠른 저장 공간에 저장해서 사용하는 것.
• 하드웨어가 관리하는 캐시도 있고, OS가 관리하는 캐시도 있음.
• 캐시 사이즈는 제한적이므로 캐시 관리가 중요.
  • 캐시 사이즈 선택
  • Replacement 정책
• 멀티프로세서 환경에서는 캐시 일관성을 유지하는 것이 중요
  • 여러 계층에 존재하는 동일 변수에 대한 캐시값이 불일치할 수 있음 (한 프로세서에서만 값을 업데이트)
  • 멀티프로세서 환경에서의 캐시 일관성은 보통 하드웨어 레벨에서 처리
• 분산 환경에서의 캐시 일관성도 나중에 살펴볼 것

1.5.6 I/O System Management

• OS는 하드웨어마다 다른 부분들을 I/O subsytem뒤로 숨김으로써 유저가 세세하게 다 알지 않아도 다룰 수 있도록 해준다.
• I/O subsytem은 여러 컴포넌트로 이루어진다.
  • 버퍼링, 캐싱, 스풀링 등을 포함하는 메모리 관리 컴포넌트
  • 일반(general) 장치 드라이버 인터페이스
  • 특정 하드웨어 장치를 위한 드라이버

1.6 Security and Protection

• 다수의 유저, 여러 프로세스의 동시적 실행이 허용되는 상황에서 데이터 접근 제어는 필수.
• Protection : 컴퓨터 자원에 대한 유저, 프로세스의 접근을 제어하는 메커니즘
• Security : 내외부의 공격으로부터 시스템을 보호하는 것. 몇몇 공격은 OS의 기능으로 여겨지기도 함

1.7 Virtualization

• Virtualization
  • 단일 컴퓨터의 하드웨어를 여러 다른 실행 환경으로 추상화하는 기술
  • 이를 통해 여러 별개의 환경이 하나의 컴퓨터에서 돌아가는 것처럼 보이게 할 수 있음
• Emulation
  • 컴퓨터 하드웨어의 동작을 소프트웨어를 통해 시뮬레이팅하는 것
  • 목표 CPU 타입이 현재의 CPU 타입과 다를 때 많이 사용한다.
    • ex) 애플의 로제타
• 반면에 virtualiztion은 특정 CPU 아키텍쳐에서 돌아가도록 작성된 OS가 동일 CPU를 타겟으로 하는 다른 OS 위에서 돌아가게 한다.

1.8 Distributed Systems

• 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템의 집합이 유저에게 시스템 자원 접근을 제공
• 네트워크 접근을 파일 접근의 형태로 추상화한 OS도 있고, 네트워크 함수 호출을 통해 접근 가능하도록 한 OS도 있다.