[OS] 운영체제와 운영체제의 발전 과정

William Stallings의 『Operating Systems, Internals and Design Principles (9th Ed.)』 을 토대로 작성하였음.

👑 운영체제란 무엇인가?

운영체제(Operating System)란 응용 프로그램의 실행을 제어하고, 응용 프로그램과

컴퓨터 하드웨어 사이의 인터페이스 역할을 하는 시스템 소프트웨어이다.

OS는 다음의 두 가지를 목적으로 한다고 할 수 있다.

• Efficiency

• Convenience

💡 사용자/컴퓨터 간의 인터페이스로서의 운영체제

사람들은 일반적으로 컴퓨터 하드웨어가 내부적으로 어떻게 동작하는지에 대한 생각을 할 필요가

없다. 응용 프로그램은 프로그래밍 언어로 쓰이며, 만약 OS가 존재하지 않는다면, 프로그래머는

프로그램 개발에 있어 기계어를 사용하여 직접 하드웨어를 제어해야만 할 것이다. 하지만 OS는

하드웨어의 디테일을 감추고, 시스템을 사용할 수 있는 편리한 인터페이스를 제공한다. 마치

응용 프로그램과 하드웨어 사이의 중개자 역할을 하는 것이다.

💡 OS가 제공하는 서비스

OS는 시스템 소프트웨어로서 다음과 같은 기능들을 제공한다.

• Program execution
  

  프로그램 실행을 위해서는 명령어와 데이터가 메인 메모리로 로드되고, 기타 리소스가 준비되어야 하는 등의 여러 단계의 작업이 수행되어야만 하는데, OS가 이러한 작업들을 대신 처리해준다.

• Access to computer resources
  

  각각의 I/O 장치들은 동작을 위해 고유한 명령어 또는 제어 신호가 필요하다. OS는 이러한 하드웨어적 디테일을 감추고, 인터페이스를 제공하여 장치들에 쉽게 접근할 수 있도록 한다.

• Error detection and response
  

  컴퓨터 시스템이 작동하는 동안, 메모리 관련 에러 등의 하드웨어의 내부/외부적 에러와 0으로 나누거나, 금지된 메모리 위치에 접근하는 등의 OS가 응용 프로그램의 요청을 수락할 수 없는 소프트웨어 에러가 다양하게 발생한다. 운영체제는 이러한 에러들을 감지하고, 적절한 조치를 취할 수 있도록 한다.

• Accounting
  

  OS는 컴퓨터의 다양한 자원과 성능에 대한 통계 데이터를 수집한다. 이러한 데이터들은 성능 향상에 도움을 줄 수 있고, 다중 사용자 시스템에서 청구 목적으로 데이터를 이용할 수 있다.

이것들 외에도 OS는 다양한 기능들을 제공한다.

💡 커널(Kernel)이란?

소프트웨어가 컴퓨터에서 실행되기 위해서는 메인 메모리에 프로그램이 올라가 있어야 한다. OS 역시 소프트웨어이기 때문에, 컴퓨터 부팅 시에 보조기억장치에 있던 OS 정보가 메인 메모리로 옮겨지게 된다.

이때, OS 정보 중 메인 메모리에 항상 상주하는 운영체제의 부분을 커널(Kernel)이라고 한다.

운영체제는 커널 뿐만 아니라 시스템 관리, 네트워크 설정, 보안 등의 작업을 수행하는 시스템 유틸리티(System utilities), GUI, CLI로 구현되는 사용자 인터페이스(User interface), 응용 프로그램이 운영체제 기능에 접근할 수 있도록 하는 시스템 라이브러리(System libraries) 등 많은 구성요소로 이루어져 있다.

이렇게 규모가 큰 소프트웨어를 모두 메인 메모리에 올린다면, 메모리 낭비와 성능 저하 등의 문제가 발생할 것이다. 따라서 컴퓨터 부팅 시에 핵심 부분만을 메모리에 올리는데, 이것이 바로 커널인 것이다.

👑 운영체제의 발전 과정

운영체제는 첫 등장 이후로 컴퓨터의 기능/기술이 발달함에 따라 지속해서 발전하고 있다.

초창기 컴퓨터부터 오늘날에 이르기까지의 발전 과정을 설명하려고 한다.

💡 Serial Processing

운영체제가 존재하지 않았으며, 프로그래머는 컴퓨터 하드웨어에 직접 접근해야 했다.

컴퓨터는 display lights, toggle switches, input device, printer로 이루어진 콘솔을 통해 동작했으며, 에러 발생 시에 빛으로 표시되었고, 프로그램이 정상적으로 끝난 경우 printer를 통해 결과가 보여졌다.

이 초기 시스템은 두 가지의 큰 문제점을 가지고 있었다.

• Job scheduling
  

  당시 컴퓨터는 귀중했기 때문에, 컴퓨터 사용 시에 사람들에게 정해진 시간을 할당해서 사용했다. 사용 시간이 1시간이라고 할 때, 누군가는 1시간을 다 쓰지 않기도 하고, 누군가는 1시간이 모자라 원하는 작업을 다 끝마치지도 못하는 경우가 있어 낭비되는 자원이 많았다.

• Setup time
  

  프로그램 실행은 컴파일러와 소스 프로그램을 로딩하고, 컴파일된 프로그램을 저장한 후, 로딩하고 연결하는 작업을 거쳐야 했는데, 이 setup time에 상당한 시간이 소요되었다.

💡 Simple Batch Systems

초창기 컴퓨터는 매우 비쌌기에, 이용률을 극대화하기 위해 batch system (일괄 시스템) 방식이 개발되었다. 일괄 시스템은 Monitor 라는 소프트웨어를 사용하여 사용자가 컴퓨터에게 직접 명령을 내리는 것이 아닌 작업 묶음을 Monitor에게 전달하는 방식으로 이루어졌다.

모니터는 프로그램을 읽고, 제어를 넘겨주며, 프로그램의 수행이 끝나면 다시 제어가 모니터로 넘어와 다음 프로그램을 실행하는 방식으로 작동하였다. 즉, 모니터는 초기 버전의 운영체제라고 할 수 있다.

💡 Uni-Programming

Monitor와 같은 초창기 OS들은 한 번에 하나의 프로그램을 수행하는 방식으로 작동했다.
이러한 Uni-programming 방식에는 I/O장치가 프로세서보다 느리다는 문제가 있었다. 프로세서는 I/O 명령이 수행될 때까지 기다려야만 했고, 프로그램 실행을 기다리는 wait 상태가 길어지는 것이 자원의 낭비였기 때문에, Multi-programming 방식이 등장하게 되었다.

💡 Multi-Programming

한 프로그램이 Wait 상태일 때, CPU를 다른 프로그램에게 넘겨주는 방식으로 동작한다.

아래의 그림을 보면, 프로그램 A가 Wait 상태가 되자 프로그램 B가 Run이 되는 것을 볼 수 있다. 이렇게 한 프로그램이 I/O 입력 등으로 CPU를 쓰지 않을 때, 다른 프로그램에게 CPU를 넘겨주는 것을 확인할 수 있다.

Multi-programming은 Uni-programming보다 CPU Utilization(활용도)가 높지만,
메모리 크기가 커야만 한다.

Multi-programming에서는 CPU가 다음에 어떤 프로그램을 실행할 것인지가 중요한데, 이를 CPU scheduling 혹은 Job scheduling이라 하며 커널에 의해 수행된다.

💡 Time Sharing System

컴퓨터 하드웨어의 발전에 따라 메인 메모리의 용량이 늘어났고, 많은 프로그램들을 메인 메모리에 넣고 실행시키는 것이 가능해졌다. Multi-programming에서는 한 프로그램이 더 이상 CPU를 사용하지 않을 때까지 CPU를 점유하는 방식으로 동작했다. 이로 인해 프로그램 하나가 긴 시간동안 동작한다면, 다른 프로그램들은 해당 프로그램이 Wait 상태가 될때까지 기다려야만 했다.

Time Sharing System에서는 CPU가 time slice(= time quantum)라 불리는 일정 시간 단위를 프로그램에게 제공하고, 그 시간동안만 실행시킨다. 보통 time slice의 길이는 0.1초이며, 이는 1초에 10개의 프로그램이 번갈아 실행된다는 것을 의미한다. 이로 인해 user는 CPU를 자신이 독점하는 것처럼 생각하게 된다.

💡 Multi-programming vs Time sharing

두 방식 모두 현대 컴퓨터에서 쓰이는 기술이며, 각자의 장단점을 가지고 있다.

• Multi-programming
  • batch processing, background processing에서 쓰인다.
  • time sharing 보다 overhead가 적다.
  • Throughput이 좋다. (Throughput : 단위 시간 동안 처리한 job의 개수)
• Time sharing
  • interactive processing, foreground processing에서 쓰인다.
  • multi-programming 보다 overhead가 많다.
  • response time이 짧다. (response time : 사용자 요청에 반응하는 데 걸리는 시간)

💡 SMP (Symmetric Multiprocessing)

대칭적 멀티프로세서(SMP)는 다수의 프로세서들이 메인 메모리와 I/O를 서로 공유하고, 하나의 운영체제가 모든 프로세서를 관리하는 구조이다. “대칭적”이라는 말의 의미는 모든 프로세서가 동일한 기능을 수행한다는 의미를 가지고 있다.

SMP 에서는 동일한 프로세서들의 협력을 통해 병렬처리를 수행하여, 단일 프로세서 시스템보다 좋은 성능을 발휘할 수 있다.

👑 OS Architecture : Monolithic Kernel, Microkernel

최근까지 대부분의 운영체제는 대규모의 단일 커널(monolithic)로 이루어져 있었다.
OS는 scheduling, file system, networking, device drivers, memory management 등 다양한 기능들을 제공하는데, Monolithic Kernel은 이러한 기능들을 모두 가지고 있다.
이와 달리, Microkernel Architecture는 커널에 memory management, process management 등을 포함한 핵심 기능만을 할당하며, 다른 OS 서비스는 마이크로커널에 의해 마치 응용프로그램처럼 처리된다.

💡 Microkernel

마이크로커널 구조는 커널에 필수적인 기능들만 할당하고, 다른 여러 기능들을 커널 외부로 빼내어 응용프로그램처럼 처리한다.

• Microkernel 구조의 장점

  • 유지보수
    

    핵심 기능만을 커널 내부에 두고, 외부 모듈로 기능을 분리했기 때문에, 각각의 모듈들을 독립적으로 관리할 수 있다. 예를 들어, 특정 모듈에 이상이 발생하더라도 커널 자체에 영향을 끼치지 않고, 해당 모듈만 수정/교체가 가능하다.

  • 보안
    

    작고 단순한 디자인과 권한 분리로 인해 보안을 강화하는 데 도움이 된다.

  • 유연성
    

    운영체제의 기능을 확장하거나 변경하는 데 용이하다.

• Microkernel 구조의 단점

  • 성능저하
    

    기능을 모듈화하여 구현하기 때문에 커널과 모듈간의 통신이 필요하다. 모듈간의 통신은 overhead를 발생시키며, 이는 시스템의 응답 속도와 처리량에 영향을 주어 시스템 성능을 저하시킬 수 있다.