[운영체제] 컴퓨터와 메모리

👨‍💻 운영체제의 역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리☑️ FIFO(First In First Out) : 작업이 도착한 순서대로 처리. 나중에 들어온 작업은 대기열에서 기다림. 짧은 작업이 긴 작업 뒤에 도착했을 때, 긴 대기 시간을 가질 수 있음.
  ☑️ SJF(Shortest Job First) : 대기열에 있는 작업 중 실행 시간이 가장 짧은 작업을 먼저 선택. 평균 대기 시간을 줄이는 데 효과적이지만 실행 시간이 긴 작업은 계속 대기해야 하는 기아현상 발생
  ☑️ Round Robin(RR) : 각 작업에 동일한 시간 할당량(타임 퀀텀)을 부여하고 이 시간이 지나면 다음 작업 실행. 모든 작업 순환적 처리, 공정한 시스템 시간 배분을 제공하지만 타임 퀀텀의 크기에 따라 시스템 성능 달라짐.
  ☑️ Priority Scheduling : 각 작업에 우선순위를 할당하고 우선순위가 높은 작업부터 실행. 중요도나 긴급성에 따라 우선순위가 결정되기 때문에 낮은 우선순위의 작업이 오랫동안 대기할 수 있음.
• 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리
• 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
  ☑️ 파일 생성, 수정, 제거, 공유, 백업, 복구, 주기억장치와 보조기억장치간의 파일전송 등
• I/O 디바이스 관리 : 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리

https://github.com/devSquad-study/2023-CS-Study/blob/main/OS/os_os_and_computer.md

➡️ GUI, 시스템콜, 커널, 드라이버 : 운영체제, GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있다.

🛠️ 시스템콜

☑️ 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스.

☑️ 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용.

☑️ 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행됨. 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로 부터 보호 할 수 있다.

I/O(Input/Output) : 컴퓨터 시스템에서 데이터를 입력하고 출력하는 과정. 운영체제와 하드웨어 사이의 중요한 상호작용이다.
I/O요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접급 등에 관한 일 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

시스템 콜은 하나의 추상화 계층이기 때문에 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있음.

🛠️modebit

☑️ modebit은 0 또는 1의 값을 가지는 플래그로 유저 모드와 커널 모드를 구분하는데 사용.

☑️ I/O 디바이스의 경우 유저모드 기반으로 작동할 때 공격자의 공격대상이 되기 쉬움.

☑️ 커널 모드를 통해 작동한다고 해도 100% 막을 수 없지만 운영체제를 통해 작동하게 해야 막기 쉬움.

☑️ 0은 커널 모드, 1은 유저 모드

유저모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드
커널모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
커널 : 운영체제의 핵심 부분, 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

💡 CPU(Central Processing Unit)

산술 논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 장치. 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실시.

🖥️ 제어장치(CU, Control Unit)

프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정

 

🖥️ 레지스터

CPU안에 있는 임시기억장치. CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름.

CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달.

SSD or HDD ➡️ RAM ➡️ Cache ➡️ Register

Register에 있을 경우 hit, 없으면 하위 부품에서 찾아옴.

 

🖥️ 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)

덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

 

🖥️ 인터럽트

CPU가 프로그램을 실행하는 동안 인터럽트 신호가 도착하면 CPU는 현재작업을 중지하고 인터럽트 처리 루틴(Interrupt Service Routine, ISR)을 실행한다. 이 루틴은 인터럽트의 원인을 처리하고, 그 후 CPU는 중단했던 작업을 계속 진행한다.

➡️ 하드웨어 입터럽트

인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.

➡️ 소프트웨어 인터럽트

트랩(trap) 이라고도 하며 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

 

🖥️ DMA 컨트롤러(Direct Memory Access Controller)

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치.

CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담.

하나의 작업을 CPU와 DMA컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지.

 

💾 메모리

➕ CPU가 직접 접근할 수 있는 기억장치

➕ 프로세스가 실행되려면 프로그램이 메모리에 올라와야 한다.

➕ 프로그램 실행 시 필요한 주소, 정보들을 저장하고 가져다 사용할 수 있게 만드는 공간.

 

💡 메모리 특징

• 지역성 : 데이터 접근이 시간적, 혹은 공간적으로 가깝게 일어나는 것
  ☑️ 시간적 지역성(Temporal locality) : 특정 데이터가 한 번 접근되었을 경우, 가까운 미래에 또 한 번 데이터에 접근할 가능성이 높음
  ☑️ 공간적 지역성(Spatial locality) : 액세스 된 기억장소와 인접한 기억장소가 액세스 될 가능성이 높음
• 지역성 원리를 이용하여 계층으로 구성됨
• 성능 결정 요인 : 기억 용량(capacity), 접근시간(access time), 사이클 시간(cycle time), 기억장치 대역포(bandwidth), 가격(cost)

💡 메모리 계층(기억장치 계층)

https://github.com/devSquad-study/2023-CS-Study/blob/main/OS/os_memory_hierarchy.md

🔗 메모리를 필요에 따라 여러종류로 나누면 CPU가 메모리에 더 빨리 접근 가능함.

🔗 각각의 특징이 있는 서로 다른 종류의 저장 장치를 함께 사용하여 최적의 효율을 낼 수 있음.

(하드디스크 경우 데이터를 메모리로 이동시켜 접근가능하기 때문에 속도가 느림.)

➕ 레지스터(Register)

• CPU가 요청을 처리하는데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치
  🖋️ CPU가 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없으므로 메모리로 직접 데이터를 전송할 수 없음.
  🖋️ 연산을 위해서 반드시 레지스터를 거쳐야 하며, 이를 위해 레지스터는 특정 주소를 가리키거나 값을 읽어올 수 있음.
• 프로세서에 위치한 고속 메모리로, 프로세스가 바로 사용할 수 있는 데이터(소량의 데이터, 처리 중인 중간 결과)를 담고 있는 영역.

➕ 캐시(Cache)

• 사용되었던 데이터는 다시 사용되어질 가능성이 높다는 개념을 이용하여 데이터나 값을 미리 복사해 놓는 임시 장소.
• 중앙처리장치와 주기억장치 간의 속도 차이 개선을 목적
• 시스템의 효율성을 위해 사용
  🖋️ 캐시의 접근 시간에 비해 원래 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우
  🖋️ 값을 다시 계산하는 시간을 절약하고 싶은 경우
• 속도가 빠른 장치와 느린 장치 사이에서 속도차에 따른 병목 현상을 완화하기 위한 범용 메모리

💡 캐싱(Caching) : 캐시라고 하는 좀 더 빠른 메모리 영역으로 데이터를 가져와서 접근하는 방식

➕메인 메모리(Main Memory)

• 주 기억장치(1차 기억장치)
• 컴퓨터에서 수치-명령-자료 등을 기억하는 컴퓨터 하드웨어 장치
• RAM(Random Access Memory) : 휘발성 기억 장치
  ✏️ 빠른 액세스를 위해 데이터를 단기간 저장하는 구성 요소
  ✏️ 사용자가 요청하는 프로그램이나 문서를 스토리지 디스크에서 메모리로 로드하여 각각의 정보에 액세스
  ✏️ 전원이 유지되는 동안 CPU의 연산 및 동작에 필요한 모든 내용이 저장
  ✏️ 전원 종료시 기억된 내용 삭제
  ✏️ Random Access : 어느 위치에서든 똑같은 속도로 접근하여 읽고 쓸 수 있다는 의미
• DRAM / SRAM
  ⁉️ DRAM(Dynamic RAM)
  ➡️ 동적 메모리
  ➡️ 전원이 계속 공급되더라도 주기적으로 재충전되어야 기억된 내용을 유지할 수 있다.
  ➡️ 주로 대용량의 기억장치에 사용되며 가격이 저렴하다.
  
  ⁉️ SRAM(Static RAM)
  ➡️ 정적 메모리
  ➡️ 전원 공급이 되는 동안은 기록된 내용이 지워지지 않기 때문에 재충전이 필요없다.
  ➡️ 접근 속도가 빠르고 가격이 비싸다는 특징이 있으며 주로 캐시메모리나 레지스터로 사용된다.

➕ 보조 기억장치(Auxiliary Memory, Secondary Memory)

물리적 디스크가 연결되어 있는 기억장치

• HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive)
• 컴퓨터 전원을 꺼도 저장된 데이터가 사라지지 않음(비휘발성)
• 중앙처리장치와 직접 자료 교환 불가능
• 접근시간이 오래 걸림
• 일반적으로 주기억장치에 데이터를 저장할 때에는 DMA방식 사용
• CPU 직접 접근 불가

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참고 자료 : https://github.com/devSquad-study/2023-CS-Study/tree/main/OS