모든 프로그램은 하드웨어를 필요로 합니다. 계산하는 프로그램은 CPU를 필요로 하고, 이미지를 하드 디스크에 저장하는 프로그램은 하드 디스크를 필요로 합니다.
이때 프로그램 실행에 필요한 요소들을 시스템 자원이라고 합니다. CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치 등 모두 시스템 자원이라고 볼 수 있습니다.
운영체제(OS; Operating System)
: 시스템 자원과 프로세스 및 저장 장치 관리, 디바이스 드라이버 역할 등을 수행하는 특별한 프로그램이 운영체제(operating system)입니다.
운영체제 또한 프로그램이기 때문에 메모리에 적재되어야 합니다. 다만, 운영체제는 다른 프로그램들과는 다르게 컴퓨터가 부팅될 때 메모리 내 커널 영역(kernel space)에 적재됩니다. 커널 영역을 제외한 응용 프로그램이 적재되는 영역은 사용자 영역(user space)라고 합니다.
- 운영체제는 실행할 프로그램을 메모리에 적재하고, 더 이상 실행되지 않는 프로그램은 메모리에서 삭제하며 메모리 자원을 관리합니다.
- 어떤 프로그램부터 CPU를 사용하게 할지, 얼마나 오랫동안 사용하게 할지 결정합니다.
- 여러 응용 프로그램이 동시에 입출력장치에 접근하는 것을 막아 하나의 장치가 사용하는 동안 다른 장치는 기다리게 만들어 하드웨어 자원을 관리합니다.
이처럼 운영체제는 응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 자원을 효율적으로 관리하는 역할을 합니다.
커널(kernel)
: 자원에 접근하고 조작하는 기능, 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 운영체제의 핵심 서비스입니다.
운영체제가 제공하는 서비스 중 커널에 포함되지 않는 서비스도 있는데, 대표적으로 사용자 인터페이스(UI; User Interface)가 있습니다. 사용자 인터페이스에는 그래픽 유저 인터페이스(GUI; Graphical User Interface)와 커맨드 라인 인터페이스(CLI; Command Line Interface)가 있습니다.
운영체제는 응용 프로그램들이 자원에 접근하려고 할 때 오직 자신을 통해서만 접근하도록 하여 자원을 보호합니다.
이중 모드(dual mode)
: CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 커널 모드로 구분하는 방식입니다.
- 사용자 모드(user mode) : 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드입니다. 즉, 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 모드입니다. 일반적으로 응용 프로그램은 사용자 모드로 실행됩니다. 사용자 모드로 실행 중인 CPU는 입출력 명령어와 같이 하드웨어 자원에 접근하는 명령어를 실행할 수 없습니다.
- 커널 모드(kernel mode) : 운영체제 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드입니다. 즉, 커널 영역의 코드를 실행할 수 있는 모드입니다. CPU가 커널 모드로 명령어를 실행하면 자원에 접근하는 명령어를 비롯한 모든 명령어를 실행할 수 있습니다.
CPU가 사용자 모드로 실행 중인지, 커널 모드로 실행 중인지는 플래그 레지스터 속 슈퍼바이저 플래그를 통해서 확인할 수 있습니다.
시스템 호출(system call)
: 일종의 소프트웨어 인터럽트로, 사용자 모드로 실행되는 프로그램이 자원에 접근하는 운영체제 서비스를 제공받기 위해서 운영체제에 보내는 요청입니다. 사용자 모드로 실행되는 프로그램은 시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스를 제공받을 수 있습니다.
운영체제의 핵심 서비스
- 프로세스 관리
메모리에 적재되어 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 합니다. 일반적으로 하나의 CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기에 CPU는 이 프로세스들을 조금씩 번갈아 가며 실행합니다. 이때 각 프로세스는 상태, 사용하고자 하는 자원이 다양합니다. 또한 당장 실행할 수 있는 프로세스가 있고, 그럴 수 없는 프로세스도 있습니다.
그래서 운영체제는 다양한 프로세스를 일목요연하게 관리하고 실행할 수 있어야 합니다. 또한 여러 프로세스가 동시에 실행되는 환경에서 프로세스 동기화가 필수적이고, 교착 상태를 해결해야 합니다.
- 자원 접근 및 할당
모든 프로세스는 실행을 위해 자원을 필요로 합니다. 이에 운영체제는 프로세스들이 사용할 자원에 접근하고 조작함으로써 프로세스에 필요한 자원을 할당해 줍니다.
1. CPU : 일반적으로 메모리에는 여러 프로세스가 적재되고, 하나의 CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있습니다. 그래서 하나의 프로세스가 CPU를 이용하고 있다면 다른 프로세스는 기다려야 합니다. 이에 운영체제는 프로세스들에 공정하게 CPU를 할당하기 위해 어떤 프로세스부터 CPU를 할당해줄지, 얼마나 오래 할당해줄지를 결정할 수 있어야 합니다. 이를 CPU 스케줄링이라고 합니다.
2. 메모리 : 메모리에 적재된 프로세스들은 크기도, 적재되는 주소도 다양합니다. 같은 프로세스라도 메모리에 적재될 때마다 주소 또한 달라집니다. 이에 운영체제는 새로운 프로세스가 메모리가 적재될 때 어느 주소에 적재해야 할지를 결정해야 합니다. 때로는 메모리가 이미 꽉 차 있어 꼭 실행해야 할 프로세스를 적재할 공간이 없는 경우, 메모리에 공간이 남았는데도 프로세스를 적재하지 못하는 상황이 있는데, 이를 극복할 수도 있어야 합니다.
3. 입출력장치 : 인터럽트 서비스 루틴은 운영체제가 제공하는 기능으로 커널 영역에 있습니다. 입출력장치가 발생시키는 하드웨어 인터럽트도 마찬가지입니다. 입출력장치가 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업한 뒤 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
- 파일 시스템 관리
여러 파일을 열고, 생성하고, 삭제, 그리고 이 파일들을 한데 묶어 디렉터리(폴더)로 관리하는 파일 시스템도 운영체제가 지원하는 핵심 서비스입니다.