운영체제와 컴퓨터 시스템

컴퓨터 시스템

운영체제는 결국 하드웨어와 관련되어 있으므로 이를 이해할 필요가 있다.

먼저 컴퓨터 시스템에 대해 알아보고,

컴퓨터 시스템의 구성

현대의 컴퓨터 시스템을 그림으로 그려보자.

mermaid

graph TD
  memory -->|bus| cpu
  memory -->|bus| disk_controller
		disk_controller --> 디스크
  memory -->|bus| usb_controller
		usb_controller --> 마우스
		usb_controller --> 키보드
		usb_controller --> 프린터
  memory -->|bus| graphic_adapter
		graphic_adapter --> 모니터

CPU와 수많은 device controller가 있고, 이를 bus로 연결하고 있다. 각 device controller는 특정 장치를 담당한다.

운영체제는 device controller마다 장치 드라이버가 있다.
장치 드라이버는 장치에 대한 일관된 인터페이스를 제공한다.

인터럽트

컴퓨터 작업이 이뤄지는 방식을 살펴보자.

키보드를 친다.
데이터는 다음과 같은 방식으로 이동한다.

키보드 → 장치 컨트롤러 속 버퍼 (이걸 장치 드라이버가 해줌)
장치 컨트롤러 → cpu에게 인터럽트를 검.
cpu는 인터럽트 핸들러에게 제어를 넘김
인터럽트 핸들러가 데이터 처리
cpu는 인터럽트로 중단된 작업 처리

요즘의 운영체제는 좀 더 향상된 인터럽트 처리를 위해, 인터럽트 벡터라는 것을 사용한다.

이를 통해 중요한 인터럽트를 먼저 처리할 수 있다.
ex) 나눗셈 에러 : 0 / 중단점 : 3

저장장치

휘발성 저장장치 = RAM (랜덤 엑세스 메모리).

단순히 메모리라고 하면, 이걸 의미.
빠르나, 너무 용량이 작고, 전원이 없으면 데이터가 날라간다.

비휘발성 저장장치 (NVS)

SSD, 플래시 메모리, FRAM 등등
좀 느리지만 전원이 꺼져도 데이터가 보존된다.

입출력구조

인터럽트를 통한 입출력은 대량 데이터를 옮길 때 오버헤드를 일으킬 수 있다.

따라서, 이를 위해 직접 메모리 액세스(DMA)가 사용된다.

운영체제 코드의 상당한 부분이 시스템의 안정성과 성능에 대한 중요성,

장치의 다양한 특성으로 인해 입출력 관리에 할애.

코어와 멀티코어

코어란?

명령을 실행하고 로컬로 데이터를 저장하기 위한 레지스터를 포함하는 구성요소
코어로 CPU는 범용 명령어 세트를 실행할 수 있다.
코어 1개 : 싱글 프로세서

코어 n개 : 멀티 프로세서

멀티코어

CPU가 여러개 있는 프로세서.

SMP : 대칭 멀티프로세싱

프로세서가 두 개 이상 있고, 메인 메모리에 이를 병렬적으로 연결

때에 따라서 비효율적일 수 있음.
다중 코어

프로세서 하나에 cpu를 여러 개 넣는 방식.

L2 캐시를 이용해 프로세서 안에서 cpu끼리 통신한다.

다중 프로세서의 단점인 병목 처리를 해결하기 위해, 각 CPU 간 작고 빠른

로컬 버스를 제공하는 방식이 존재한다. 이를 NUMA(non-uniform memory

access)라고 한다.

클러스터형 시스템

둘 이상의 컴퓨터 시스템을 결합해서 만든 시스템.

높은 가용성 제공
비대칭형 : 일부만 응용 프로그램을 실행
대칭형 : 모두가 다 실행.
하둡이 대표적인 예시