운영체제란?

도서 쉽게 배우는 운영체제와 강의 운영체제-반효경 를 보고 정리한 글입니다.

📌 운영체제란?

운영체제는 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어, 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어이다.

💡 사용자에게 편리한 인터페이스 환경을 제공하고 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리하는 소프트웨어이다.

대표적인 예로 윈도우, Mac OS, Linux, Unix 등이 운영체제라고 할 수 있다.

운영체제가 없는 기계는 만들 당시에 구현한 기능 외에 다른 기능을 추가하거나 성능을 향상할 수 없다.

운영체제가 있는 기계는, 기능의 추가나 성능 변경이 가능한 프로그래밍이 가능한 기계이다.

전화기와 스마트폰을 비교해보면, 전화기는 만들어진 기능인 전화만 사용할 수 있고, 스마트폰은 새로운 프로그램을 설치해서 다양한 기능을 사용할 수 있다.

💡 운영체제의 핵심 부분을 커널이라고 하는데, 좁은 의미에서는 커널 = 운영체제로 보기도 한다.

📌 운영체제의 목적

1. 자원을 효율적으로 관리하기 위해

컴퓨터는 수 많은 하드웨어와 소프트웨어를 다뤄야하기 때문에 한정된 자원을 효율적으로 분배하는 것이 필요하다.

운영체제는 자원을 요청한 응용 프로그램이 여러 개인 경우, 적당한 순서로 자원을 배분하고 적절한 시점에 자원을 회수한다.

2. 자원을 보호하기 위해

악의적인 사용자나 미숙한 사용자로부터 자원을 보호한다.

사용자가 직접 자원을 다루다보면, 고의가 아니더라도 작업을 망치거나 데이터를 지울 수 있기 때문이다.

사용자는 직접 특정 위치에 데이터를 저장할 수 없으며, 운영체제에 부탁하면 운영체제가 적당한 위치에 저장한다.

이와 같이, 데이터가 충돌하는 것으로부터 운영체제는 자원을 보호한다.

3. 사용자 인터페이스를 통한 편의를 제공하기 위해

운영체제가 GUI를 제공하므로 대부분의 작업을 마우스로 수행할 수 있고 사용자는 복잡한 하드웨어를 편하게 관리할 수 있다.

📌 커널이란?

커널은 프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리와 같은 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 것으로, 자동차에 비유하자면 엔진에 해당한다.

운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분이다.

운영체제의 자원은 사용자나 응용 프로그램으로부터 보호하기 위해, 직접 접근할 수 없고 시스템 호출을 통해서만 접근이 가능하다.

두 응용 프로그램이 각자 자신이 원하는 위치에 데이터를 저장하려고 하면, 지워지는 데이터가 생길 것이다.

따라서, 운영체제에게 시스템 호출을 통해 저장을 부탁하면 적절한 위치에 저장해줄 수 있다.

💡운영체제는 커널이 제공하는 서비스를 시스템 호출로 제한하고, 다른 방법으로 커널에 들어오지 못하게 막음으로서 컴퓨터 자원을 보호하는 것이다.

커널의 종류

1. 단일형 구조 커널

커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈들이 구분없이 하나로 구성되어 있다. 프로그램에 비유하면 함수를 거의 사용하지 않고 main()에 모든 기능을 구현한 형태와 같다.

장점 : 모듈 간의 통신 비용이 줄어 효율적인 커뮤니케이션과 운영이 가능하다.
단점 :
1. 모든 모듈이 하나로 묶여 있기 때문에, 버그나 오류를 처리하기가 어렵고 작은 결함이 시스템 전체로 확산될 수 있다.
2. 운영체제가 커지고 복잡해질수록 구현하기가 매우 어렵다.

2. 계층형 구조 커널

비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어서 하나의 계층으로 만들어 구현한다.

장점 : 비슷한 기능을 모아 모듈화 했기 때문에 단일형 구조보다 버그나 오류를 쉽게 처리할 수 있다.
단점 :
1. 하나의 계층에 이상이 생기면, 다른 계층도 동작하지 못할 수 있다.
2. 계층형 커널 역시, 운영체제가 커지고 복잡해지면 많은 계층들이 발생하게 되어 커널의 크기가 커지고 하드웨어 용량도 늘어난다.

3. 마이크로 구조 커널

마이크로 구조 커널의 운영체제는 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스 간 통신 관리 등 커널의 가장 기본적인 기능만 제공한다. 그 외의 기능은 사용자 공간으로 옮겨서 사용자 영역에서 수행하도록 하였다.

장점 : 각 모듈은 독립적으로 작동하기 때문에, 하나의 모듈에 문제가 발생해도 전체 운영체제가 멈추지 않는다. (커널 내부에서 발생 지연이 적기 때문에 실시간 시스템에 활용하기 좋다.)
단점 : 모듈 간 통신이 빈번하게 발생할 시, 성능이 떨어질 수 있다.

위와 같이, 프로세스 관리, 메모리 관리 등과 같이 반드시 커널에 있어야 하는 기능만 모듈로 남아있는 구조가 마이크로 구조이다.