Post

Operating System Concepts

Posted
Preview Image
By Hyeon Jae Kim
22 min read
Operating System Concepts

운영체제 개요 (Ch1. Overview)

운영체제란?

컴퓨터 하드웨어를 관리하는 소프트웨어. 응용 프로그램을 위한 기반을 제공하며 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 사이에서 중재자 역할을 수행한다. 컴퓨터에서 항상 실행되는 프로그램이다. (일반적으로 커널이라고 함)

운영체제의 목적 : 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공.

컴퓨터 시스템 - 하드웨어 , 운영체제, 응용프로그램, 사용자로 구성.

  • 하드웨어 : 중앙처리장치 (CPU) + 메모리 및 입출력장치(I/O)로 구성, 기본 계산용 자원 제공.

  • 응용프로그램 : 워드프로세서, 스프레드시트, 컴파일러, 웹 브라우저 등 사용자의 계산문제 해결을 위해 자원이 어떻게 사용될 지 정의.

    사용자 관점 사용자는 PC앞에서 작업하고 시스템의 목표는 사용자가 수행하는 작업을 최대화하는 것이다. 운영체제는 사용의 용이성을 위해 설계되었으며 사용자들이 자원을 공평하게 사용할 수 있도록 한다.

시스템 관점 컴퓨터 관점에서 운영체제는 하드뒈어와 가장 밀접한 프로그램이므로 자원할당자로 볼 수 있음. 컴퓨터 시스템은 문제를 해결하기위해 요구되는 자원들 즉, CPU시간, 메모리공간, 저장장치 공간, 입출력장치 등을 가진다. 다른 관점으로는 여러가지 입출력 장치와 사용자 프로그램을 제어하는 제어프로그램 으로도 본다.

운영체제의 기능

  • CPU스케줄링 : CPU가 어떤 프로그램에게 CPU사용권을 줄 지 결정
  • 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떻게 쪼개어 쓸 지 결정 - 운영체제 및 여러 프로그램들
  • 디스크 스케줄링 : 디스크에 들어온 요청을 어떤 순서로 처리할 지 결정
  • 인터럽트, 캐싱 : 빠른 CPU와 느린 I/O 장치간 속도차를 어떻게 극복할 지 결정 (ps. CPU는 일반적으로 메모리에 비해 100배 빠르고 디스크에 비해 100만배 빠르다)

운영체제의 분류

  • 동시 작업 가능 여부
    • Single tasking(단일 작업) : 한 번에 하나의 작업만 처리 ex) MS-DOS 프롬프트 상에서는 한 명령의 수행을 끝내기 전에 다른 명령을 수행시킬 수 없음
    • Multi tasking(다중 작업) : 동시에 두 개 이상의 작업 처리 ex) UNIX/MS Windows 등에서는 한 명령의 수행이 끝나기 전에 다른 명령이나 프로그램을 수행할 수 있음
  • 사용자의 수
    • Single User(단일 사용자) ex) MS-DOS, MS Windows
    • Multi User(다중 사용자) ex) UNIX, NT server
  • 처리 방식
    • Batch Processing(일괄 처리)
      • 작업 요청의 일정량 모아서 한꺼번에 처리
      • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함 ex) 초기 Punch Card 처리 시스템
    • Time Sharing(시분할)
      • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
      • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답 시간을 가짐 : UNIX 등
      • Interactive한 방식
    • Realtime OS(실시간 운영체제)
      • 처리기의 작동이나 데이터의 흐름에 엄격한 시간제약이 있을 때 사용
      • 정해진 시간안에 어떤 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS ex) 원자로/공장 제어, 미사일 제어, 반도체 장비, 로보트 제어
      • 확장
        1. Hard realtime system(경성 실시간 시스템)
        2. Soft realtime system(연성 실시간 시스템) - 비디오

CPU 스케줄링 (p.226 참조)

스케줄링 알고리즘 CPU 스케줄링은 준비 큐에 있는 어느 프로세스이 CPU코어를 할당할 것인지를 결정하는 문제를 다룬다. 최신 CPU아키텍처에는 여러개의 처리코어가 있지만 한개의 처리코어를 가진 CPU가 한개인 시스템으로 가정해 한번에 1개의 프로세스를 실행할 수 있다고 생각하자.

1. First-Come, First-Served Scheduling(선입 선처리 스케줄링)

  • 가장 간단한 CPU스케줄링 알고리즘
  • CPU를 먼저 요청하는 프로세스가 먼저 할당한다. FIFO 선입선출 방식(구현이 쉬움)
  • 프로세스 처리 순서에 따라 성능이 매우 달라진다.
  • 모든 다른 프로세스들이 하나의 긴 프로세스가 CPU를 양도하기를 기다리는 Convoy Effect(호위효과)가 발생할 수 있다.
  • 먼저 온 프로세스가 끝날때까지 운영체제가 개입하지 않는 비선점 스케줄링 방식에 주의!

2. Shortest-Job-First-Scheduling (최단 작업 우선 스케줄링)

  • Shortest-next-CPU-burst; 최단 다음 CPU 버스트 알고리즘
  • 가장 작은 CPU버스트를 가진 프로세스를 할당한다.
  • 위 Convoy Effect를 해결할 수 있다.
  • 주어진 프로세스 집합에 대해 최소의 평균 대기시간을 가지기 때문에 최적이라 할 수 있다. 하지만 다음 CPU버스트 길이를 할 순 없어 근사값을 구한다.
    • 일반적인 CPU버스트 길이(다음 CPU버스트 예상하기 위함) : Tn+1 = a*Tn _ (1+a)Tn , (0 <= a <= 1)
  • CPU버스트 시간이 긴 프로세스는 계속 밀려 Starvation Effect가 발생할 수 있다. -> 영원히 수행될 수 없음
  • 버스트 시간이 짧은 프로세스가 끝날때까지 운영체제가 개입하지 않는 비선점 스케줄링 방식

3. Round-Robin Scheduling (라운드 로빈 스케줄링)

  • 선입 선처리 스케줄링과 유사하지만 시스템이 프로세스들 사이를 옮겨다닐 수 있도록 선점이 추가된다.
  • Time quantum(시간 할당량) 단위로 여러 프로세스를 번갈아가며 프로세서에 할당.
  • CPU스케줄러는 준비 큐를 돌면서 한번에 한 프로세스에 한 번의 시간 할당량동안 CPU를 할당한다.
  • 한번의 시간할당량 이후에 인터럽트를 걸도록 (timer)타이머를 설정한 후 프로세스를 dispatch한다(준비상태에서 실행상태로).
  • 시간 할당량에 따라 운영체제가 계속 개입하는 선점 스케줄링 방식!

메모리 관리 (p.452 참조)

Memory Management

메인 메모리는 현대 컴퓨터 시스템의 핵심이며, 바이트의 대용량 배열이다. 그리고 각 바이트는 자신의 주소를 가진다. 프로그램이 수행될 때 절대 주소(Abolute addresses)로 매핑(Mapping)되어 메모리에 로드되고 메모리의 프로그램 명령어와 데이터에 접근한다. 메모리 관리는 여러 요인을 고려해야 하는 작업이며, 특히 시스템의 하드웨어 설계에 좌우된다.

운영체제는 메모리 관리를 위해 메모리의 어떤 부분이 어디에 쓰이는지, 누가 사용하는지 추적하고, 어떤 프로세스와 데이터가 메모리의 안팎으로 옮겨질지 결정한다. 또한 메모리 공간을 할당하고 해제하는 것도 운영체제가 하는 일이다.

Page Replacement

  • 한정적인 메모리를 효율적으로 사용하기 위한 기법, 메모리에 올려진 페이지 중 어떤 것을 내리고 어떤 새로운 페이지를 올릴지를 결정하는 규칙이다.

  • 페이지 결함이 발생할 때 페이지 교체 절차

    1. 디스크에서 페이지의 위치를 찾는다
    2. 빈 프레임을 찾는다. 빈 프레임이 있으면 거기 페이지를 적재하고, 없으면 페이지 교체 알고리즘을 이용하여 희생 프레임을 선택한다. 이후 희생 프레임에 있는 페이지를 디스크에 쓰고, 프레임에 새 페이지를 적재한다.
    3. 페이지 테이블과 프레임 테이블을 변경한다.
    4. 프로세스를 재개한다.

1. FIFO 페이지 교체

  • 가장 먼저 메모리에 올려진 페이지를 교체하는 방식
  • 현실성과 효율성이 떨어져서 실제로 잘 사용되지는 않는다. 

2. Optimal Page Replacement(최적 페이지 교체)

  • 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지를 교체하는 방식
  • 일반 OS에서는 구현 불가(예측이 불가능 하기 때문)

3. LRU Page Replacement(LRU 페이지 교체)

  • 최근의 과거를 가까운 미래의 근사치로 본다면 가장 오랜기간 사용되지 않은 페이지를 교체하는 방식.
  • LRU알고리즘은 페이지마다 마지막 사용시간을 유지.
  • Counters(계수기)방식 혹은 Stack(스택) 방식으로 구현
    • Counters방식 : 각 페이지 항목마다 사용 시간 필드를 넣고 CPU에 논리적인 시계나 계수기를 추가. 메모리가 접근될 때 마다 시간 증가. 페이지 테이블이 변경될 때 마다 시간 값을 관리해야하며 시간값의 Overflow도 고려해야함.
    • Stack방식 : 페이지 번호의 스택을 유지하는 방법. 페이지가 참조될 대 마다 페이지 번호는 스택 중간에서 제거되어 Top에 위치하게 되고 Bottom은 가장 오랫동안 이용되지 않은 페이지. Doubly Linked List로 구현.
  • 프로세스에 프레임을 더 주었는데 오히려 페이지 폴트율은 더 증가하는 Belady’s anomaly를 야기하지 않는다. (ps. *페이지 폴트는 프로세스가 참조하려는 가상 메모리 페이지가 현재 물리적 메모리에 로드되어 있지 않을 때 발생. 이는 메모리 접근 시도 중에 발생하는 인터럽트 또는 예외 상황.)

4. Least Frequently Used 알고리즘(LFU)

  • 참고횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 방식
  • why? 활발하게 사용되는 페이지는 큰 참조 횟수값을 갖게될거라는 점
  • 맹점 : 어떤 프로세스가 그 초기단계에서는 한 페이지를 집중적으로 많이 사용하지만 그 후로 다시는 이 페이지를 사용하지 않는 경우
  • 해결책 : 참조 횟수를 일정한 시간마다 하나씩 오른쪽으로 시프트해서 지수적으로 그 영향력을 감소시킬 수는 있다.

5. Most Frequently Used 알고리즘(MFU)

  • 반대로 가장 작은 참조회수를 가진 페이지가 가장 최근 참조된것이고, 앞으로 사용될 것이라는 판단에 근거한다.

디스크 스케줄링 (p.492, 500참조)

Access time(디스크 접근시간)의 구성

  • Seek Time(탐색시간) - 디스크 암을 원하는 실린더로 이동하는데 필요한 시간
  • Rotational latency(회전지연) - 원하는 섹터가 디스크 헤드 위치까지 회전하는 데 걸리는 시간
  • Transfer time - 드라이브와 컴퓨터 간의 데이터 흐름의 속도

Disk Scheduling(디스크 스케줄링)

  • seek time을 최소화 하는것이 목표
  • seek time = seek distance

1. FCFS Scheduling(선입 선처리 스케줄링)

  • 가장 단순한 방법, 헤드 움직임을 최적화 하지 않기 때문에 성능은 나쁠 수 있다.

2. SSTF Scheduling(Shortest Seek Time First)

  • 탐색 시간이 가장 작은 것부터 처리하는 방식
  • 문제점 : Starvation 현상

3. SCAN Scheduling(SCAN 스케줄링)

  • Disk Arm(디스크 암)이 디스크의 한 끝에서 시작하여 다른 끝으로 이동하며, 가는 길에 있는 요청을 모두 처리하는 방식.
  • 다른 한쪽 끝에 도달하면 (또는 그쪽 방향으로 더는 대기하고 있는 요청이 없으면) 역방향으로 이동하면서 오는 길에 있는 요청을 모두 처리한다. 즉 헤드는 디스크 양쪽을 계속해서 가로지르며 왕복한다.
  • 흡사 엘리베이터와 비슷하다고 하여 Elevator Algorithm이라고도 부른다.

저장장치 계층구조와 캐싱(Caching) (p.14, 33 참조)

Interrupt(인터럽트)

컨트롤러가 장치 드라이버에게 작업을 사실을 어떻게 알릴까? 인터럽트를 통해서!

  • 하드웨어는 어느 순간이든 시스템 버스를 통해 CPU에 신호를 보내 인터럽트를 발생시킬 수 있다. 인터넙트는 운영체제와 하드웨어의 상호 작용 방식의 핵심 부분이다.
  • 즉 컴퓨터에서 신호를 보내 이벤트 발생을 알리는 것을 의미한다.
  • 보통 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 처리하는데, 기존 작업을 중단하고 타 작업을 진행해야 할 때 인터럽트 신호를 보내 기존작업을 중단하라고 신호를 보낸다. 그러면 커널이 작업을 멈추고 인터럽트 처리한 뒤 기존 작업으로 돌아온다. 출력을 수행하고 있는 단일 프로세스에 대한 인터럽트 시간 일정
  • Trap(트랩) : 소프트웨어에 의해 발생하는 인터럽트
  • 하드웨어는 System Bus(시스템 버스) 를 통해 CPU에 신호 보내서 인터럽트 발생시키고, 소프트웨어는 System Call(시스템 콜) 이라는 명령으로 인터럽트 발생시킨다.

Cache Management(캐시 관리)

  • 굉장히 빠르가 작은 저장장치
  • Caching (캐싱) : 캐시메모리를 사용해 컴퓨터의 속도를 높이는 기술
  • 우리가 특정 정보가 필요할 경우, 우리는 먼저 캐시에 그 정보가 있는지를 조사한다.
    • 만약 캐시에 있으면 그 정보를 캐시로부터 직접 사용
    • 만약 없으면 메인 메모리 시스템으로부터 그 정보를 가져와서 사용하고, 다음에 곧 사용될 확률이 높다는 가정하에 캐시에 넣는다.

저장장치 계층 구조

플래시 메모리

  • 플래시 메모리
    • 반도체 장치(하드 디스크 : 마그네틱)
    • NAND형(스토리지), NOR형(임베디드 코드저장용)
  • 플래시메모리의 특징
    • Nonvolatile
    • Low power consumption
    • Shock resisteance
    • Small size
    • Lightweight
    • 쓰기 횟수 제약
  • 플래시메모리의 사용 형태
    • 휴대폰, PDA등 임베디드 시스템 구성용
    • USB용 메모리 스틱
    • 디지털카메라 등의 SD카드, CompactFlash, Smart Media card
    • 모바일 장치 뿐 아니라 대용량 시스템에서 SSD(Solid State Drive)란 이름으로 하드디스크 대체 시도 여러 저장장치의 특성

      운영체제의 분류 p16

추가 학습

용어

  • Multitasking
  • Multiprogramming
  • Time sharing
  • Multiprocess
  • 구분
    • 위 용어들은 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 수행하는 것을 뜻한다.
    • Multiprogramming은 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있음을 강조
    • Time Sharing은 CPU의 시간을 분할하여 나누어 쓴다는 의미를 강조
    • *Multiprocessor : 하나의 컴퓨터에 CPU가 여러개 붙어있음을 의미

출처(참고문헌)

Bélády’s anomaly

운영체제
공룡책 운영체제
This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.