[운영체제] 운영체제(Operating System)란 무엇인가

💡 tl;dr

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• 운영체제란 무엇인가
• 컴퓨터의 정의
• 프로그램의 정의
• 운영체제의 목적
• 운영체제 분류

운영 체제(Operating System)의 정의

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• 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층.

컴퓨터란?

• 정보를 처리 하는 것

정보란 무엇인가

• 전기적 신호로 표현할 수 있는 데이터의 집합

• 정보량 $I(x) = -log_2{P(x)}$
• 정보의 단위 1이 뜻하는 것 : $P(x) = \frac{1}{2}$ (true or false)
  • 4지선다형 문제의 정보량은? / 2 == $-log_2{\frac{1}{4}}$
• 정보의 최소단위 : bit
• 정보의 처리 : 정보의 상태 변환
  • 0에서 1로, 1에서 0으로
• 부울 대수 (Boolean Algebra): NOT, AND, OR
• 논리 게이트 : NOT, AND, OR, XOR, NAND, NOR
• 논리 회로 : IC, LSI, VLSI, ULSI, SoC, …..
  • 무어의 법칙 : 반도체 집적회로에 경제적으로 쌓을 수 있는 트랜지스터 수가 18개월마다 두 배로 늘어난다
  • 황의 법칙 : 반도체 메모리 용량이 1년마다 2배씩 증가한다
• 정보의 저장과 전송 : 플립-플롭, 데이터 버스

정보를 처리하다

• 덧셈 : 반가산기와 전가산기로 표현 가능 (가산기)
• 뺄셈 : 2의 보수 표현법으로 표현 가능
• 곱셈과 나눗셈 : 덧셈과 뺄셈의 반복
• 실수 연산 : 부동 소수점 표현법
• 함수 : GOTO -> if문, for문의 조합
• 삼각함수, 미분, 적분, 사진촬영, 동영상 재생, …

컴퓨터는 만능인가?

• 범용성 : universality
  • NOT, AND, OR 게이트만으로 모든 계산을 할 수 있다.
  • NAND 게이트만으로 모든 계산을 할 수 있다.
  • 범용 컴퓨터 : general-purpose computer
  • s/w를 지원하는 h/w → 컴퓨터
• 계산가능성 : computability
  • Turing-computable : 튜링 머신으로 계산가능한 것.
  • 정지 문제 (Halting Problem): 튜링 머신으로 풀 수 없는 문제.

컴퓨터를 만든 사람

• 컴퓨터의 할아버지 앨런 튜링(Alan Turing)
  • Turing Machine
  • Head, Tape, Turing Machines, Universal Turing Machine
  • CPU, RAM, Application Programs, Operating System

• 컴퓨터의 아버지 폰 노이만(John von Neumann)
  • ISA: Instruction Set Architecture
  • 메모리에 프로그램을 저장하는 컴퓨터
  • 폰 노이만 아키텍처

프로그램이란?

• 명령어들의 집합
  • 컴퓨터의 하드웨어에 작업을 수행하도록 지시
  • 컴파일러 (프로그래밍 언어 -> 어셈블리 언어)

운영체제도 프로그램인가?

• 프로그램의 일종
• 컴퓨터에서 항상 실행되는 프로그램
• 응용 프로그램에 시스템 서비스 제공
• 프로세스, 리소스, 사용자 인터페이스 등을 관리
• 기기의 응용 프로그램들을 관리(운영)해주는 프로그램

협의의 운영체제(커널)

• 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
• 보안 : 컴퓨터 하드웨어와 프로세스의 보안을 책임
• 자원 관리 : 한정된 자원을 효율적으로 관리
  • 스케줄링 : 프로세스에 처리기를 할당하는 것
• 추상화 : 커널은 일관성 있는 인터페이스를 하드웨어에 제공하기 위해 몇 가지 하드웨어 추상화들로 구현
  • 하드웨어 추상화 : 같은 종류의 장비에 대한 공통 명령어의 집합. 프로그래머의 개발을 돕는다.

광의의 운영체제

• 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념

운영 체제의 목적

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1. 컴퓨터 시스템 내의 자원을 여러 사용자 간에 효율적으로 할당, 관리하여 보호

   • 주어진 자원을 최대한의 성능을 내도록 형평성 있게 관리 및 분배
   • 프로그램의 오류나 잘못된 자원 사용을 감시
   • 입출력 장치 등의 자원에 대한 연산과 제어 관리

2. 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있도록 환경을 제공 하는것

   • 동시 사용자/ 프로그램들이 각각 독자적 컴퓨터에서 수행되는것 같은 환상을 제공
   • 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행

운영 체제의 분류

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동시성 작업 여부

• 단일 작업
  • 한 번에 하나의 작업만 처리 (MS-DOS 프롬프트 등)
• 다중 작업
  • 동시에 두 개 이상 작업 처리 (UNIX, MS Windows 등)

사용자의 수

• 단일 사용자 (single user)
  ex) MS-DOS, MS Windows
• 다중 사용자 (multi user)
  ex) UNIX, NT server

처리 방식

• 일괄 처리(batch processing)
  • 작업 요청의 일정량 모아서 한 꺼번에 처리
  • 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야 함
• 시분할(time sharing)
  • 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용
  • 일괄 처리 시스템에 비해 짧은 응답시간을 가짐
  • interactive한 방식
• 실시간(Realtime OS)
  • 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야하는 실시간시스템을 위한 OS
  • 조그마한 임베디드 시스템, 자동차 엔진 제어 장치, 우주선, 미사일 제어, 반도체 장비, 산업 로봇 등
• 실시간 시스템의 개념 확장
  • Hard realtime system (경성 실시간 시스템)
  • Soft realtime system (연성 실시간 시스템)

용어정리

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• Multitasking : 다수의 작업(혹은 프로세스)이 CPU와 같은 공용자원을 나누어 사용하는 것
• Multiprogramming : 여러 프로그램이 메모리에 올라가 있는 것
• Time sharing : 시간을 분할하여 CPU의 자원을 나누어 쓰는 것
• Multiprocessing : 컴퓨터 시스템 한 대에 둘 이상의 CPU를 이용하여 병렬로 처리하는 것

운영 체제의 예

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유닉스(UNIX)

• 초기엔 서버를 위한 OS
• 코드 대부분을 C언어로 작성
• 높은 이식성
• 최소한의 커널 구조
• 복잡한 시스템에 맞게 확장 용이
• 소스 코드 공개
• 프로그램 개발에 용이
• 다양한 버전 (Linux, Solaris 등)

DOS(Disk Operating System)

• MS사에서 개발
• 단일 사용자용 운영체제
• 메모리 관리 능력의 한계(주 기억장치 : 640KB)

MS Windows

• MS사의 다중작업용 GUI 운영체제
• 네트워크 환경 강화
• DOS와의 호환 적용
• 불안정성
• 풍부한 지원 소프트웨어

운영체제의 구조

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• CPU 스케줄링
• 메모리 관리
• 파일 관리
• 입출력 관리

참고

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• 운영체제 공룡책 강의(주니온) - 인프런
• Introduction to Operating Systems - 반효경
• 커널 - 위키백과