모든 컴퓨터 시스템의 구조를 보았기 때문에, 아래의 운영체제에 대해 상세히 살펴본다.

📂 목차

• Bootstrap Program
  • 부팅 단계 요약
• 1.4.1 Multiprogramming and Multitasking
  • 다중프로그래밍의 원리
  • 다중 작업(Multitasking)
  • 가상 메모리와 응답 시간 보장
  • 파일 시스템
• 1.4.2 Dual-Mode and Multimode Operation
  • Dual Mode
  • Kernel Mode에서 실행되는 Privileged Instruction
  • Additional Modes
  • Mode 관점에서의 Virtualization
  • System Call 을 통한 Kernel Mode 로의 전환
• 1.4.3 Timer
  • Linux Timer

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📚 본문

운영체제는 프로그램이 실행되는 환경을 제공하는 소프트웨어 + 일부 하드웨어 이다.

내부적으로는 다양한 방식으로 조작될 수 있어서 운영체제 마다 다를 수 있겠지만, 전체적인 틀에서 공통된 컴포넌트들을 볼 것이다.

우선 운영체제가 어떻게 컴퓨터 내에서 생성이 되는지 보자.

Bootstrap Program

컴퓨터가 전원이 켜지거나 재시작될 때, 가장 먼저 실행되어야 할 초기 프로그램이 필요하며, 이를 부트스트랩 프로그램(Bootstrap Program)이라고 한다.

부트스트랩 프로그램은

• Firmware 형태로 하드웨어에 내장됨
• 컴퓨터 시스템의 모든 구성 요소(CPU 레지스터 집합, 디바이스 컨트롤러, 메모리 내용 등)를 초기화
• 운영체제 커널을 어디서 찾을지, 어떻게 적재할지, 실행을 시작할지 담당한다.

부팅 단계 요약

1. 부트스트랩 프로그램이 실행됨
2. 부트스트랩은 모든 구성요소 초기화를 함
3. 초기화 후 운영체제 커널을 찾아서 메모리에 적재함
4. 적재되면 운영체제의 Daemon들이 시작됨
5. 모든 서비스가 시작된 후 외부 이벤트(I/O 인터럽트, 하드웨어 인터럽트, Trap 인터럽트(Exception 인터럽트), system call 등)가 발생하길 기다리는 운영 상태가 됨

여기서 일부 서비스는 커널 외부에서 제공되고 이는 부팅 시 메모리에 로드되어 백그라운드에서 항상 실행되는 Daemon(시스템 프로그램) 형태로 동작한다.

Linux 시스템에서는 이러한 시스템 프로그램 중 첫 번째가 [systemd](#systemd) 이며, 이 프로그램이 여러 다른 daemon들을 시작하게 한다.

이제 운영체제가 하는 일을 보자.

1.4.1 Multiprogramming and Multitasking

운영체제의 특징 중 하나는 여러 프로그램을 동시에 실행할 수 있는 능력이며, 이를 Multiprogramming 이라고 한다.

다음 장점을 얻을 수 있다:

• 프로그램들을 조직화하여 CPU의 사용률을 높임
• 사용자 만족도를 향상시킴

실행 중인 프로그램을 Process 라고 부른다

다중프로그래밍의 원리

운영체제가 여러 개의 프로세스를 동시에 메모리에 유지한다.

1. 운영체제는 이 중 하나를 선택하여 실행을 시작함
2. 해당 프로세스가 I/O 작업 등으로 대기 상태로 진입
3. 이때 운영체제는 즉시 다른 프로세스로 전환하여 실행

다중 작업(Multitasking)

Multitasking 은 다중 프로그래밍의 논리적 확장이다.

다중 작업 시스템에서는 운영체제가 짧은 시간에 여러 프로세스를 매우 빠르게 전환함으로써 사용자가 여러 작업을 동시에 하는 것처럼 느끼게 하는걸 Multitasking 이라고 한다.

다중 프로세스를 위한 추가 고려 사항

메모리에 여러 프로세스를 동시에 유지하려면 어떤 형태의 메모리 관리(Memory Management)가 필요하며 이는 추후에 다룬다.

운영체제가 일단 메모리에 관해 하는 일로는 다음과 같다:

• CPU Scheduling: 여러 프로세스가 동시에 실행 ready 상태에 있다면, 운영체제는 어떤 프로세스를 먼저 실행할지 결정한다.
• 동시에 여러 프로세스를 실행하려면 프로세스 간 상호 간섭을 방지해야 한다. 이는 프로세스 스케줄링, 디스크 저장소, 메모리 관리 전반에 걸쳐 필요하다.

이는 추후에 다룬다.

가상 메모리와 응답 시간 보장

다중 작업 시스템에서는 운영체제가 적절한 응답 시간을 보장해야 한다. 이를 위한 방법 중 하나가 Virtual Memory 이다.

가상 메모리는:

• 메모리에 완전히 올라오지 않은 프로세스도 실행 가능하게 해줌
• Physical Memory보다 더 큰 프로그램도 실행 가능
• Logical Memory와 Physical Memory를 분리하여, 메모리를 하나의 큰 연속 공간처럼 추상화

이 방식은 프로그래머가 메모리 제약을 고려하지 않아도 되는 장점을 가진다.

파일 시스템

파일 시스템은 Secondary Storage 에 위치하며, Storage Management 가 제공되어야 한다.

또한, 부적절한 자원의 사용을 방지하기 위한 보호 기능이 여기에 들어가야 한다.

1.4.2 Dual-Mode and Multimode Operation

운영체제와 사용자들은 컴퓨터 시스템의 하드웨어 및 소프트웨어 자원을 공유하기 때문에 잘 설계된 운영체제는 오류가 있거나 악의적인 프로그램이 다른 프로그램이나 운영체제 자체가 잘못 실행되도록 방해하면 안된다.

Dual Mode

따라서 위 문제의 해결책으로 둘을 완전히 분리시키면 서로 영향을 주지 못하게 되기 때문에 이를 위해 나온 개념이:

• User Mode(사용자 모드)
• Kernel Mode(커널 모드) = Supervisor Mode = System Mode = Privileged Mode 이다.

하드웨어에 Mode Bit를 추가하여 현재 모드를 나타낼 수 있다.

• 0: Kernel Mode
• 1: User Mode

따라서 컴퓨터가 어플리케이션을 실행 중일 때는 사용자 모드이며, 운영체제의 서비스를 요청할 때(system call)는 커널 모드로 전환한다.

커널 모드(0): 시스템부팅, Trap, Interrupt 발생 시
유저 모드(1): 운영체제가 적재된 후

이런 모드 방식을 Dual Mode 라고 부르고 다음 기능을 하게 된다:

• 잘못된 사용자로 부터 보호
• 동시에 사용자들 간에도 상호 보호 할 수 있는 수단을 제공

Kernel Mode에서 실행되는 Privileged Instruction

여기서 시스템에 해를 끼치는 명령어들을 Kernel Mode 로만 실행해야하기 때문에 이런 명령어들을 Privileged Instruction 라고 한다.

만약 이런 명령어를 User Mode에서 실행한다면 Trap을 발생시켜 즉시 제어를 운영체제로 넘긴다.

커널 모드로 전환하는 명령어는 특권 명령어 뿐만 아니라, 입출력 제어, 타이머 관리, 인터럽트 관리 등이 있다.

Additional Modes

모드의 개념을 통해 사용자마다 실행할 수 있는 명령어들을 제한시킬 수 있도록 할 수 있다. 즉, 모드를 여러 개로 가져가는 것이다.

운영체제 마다 기본적으로 제공하는 모드들이 다르고 개수도 다르다.

Intel: 4 protection rings(0, 1, 2, 3), 0은 커널, 3이 유저 이다
ARMv8: 7 개의 모드를 제공한다

Mode 관점에서의 Virtualization

가상화를 지원하는 CPU는 Virtual Machine Manager(VMM) 가 시스템을 제어하고 있다는 것을 나타내기 위한 별도의 모드를 제공하기도 한다.

이 모드는 일반 사용자보다는 더 많은 권한을 가지기는 하지만, 커널보다는 적은 권한을 가진다(4 protection ring에서 2, 3 정도라고 보면 된다).

VMM은 이러한 권한 수준을 통해 가상 머신을 생성, 관리, CPU 상태 변경을 한다.

System Call 을 통한 Kernel Mode 로의 전환

사용자 프로그램이 운영체제에게 특정 작업을 요청하는 공식적인 방법이라고 할 수 있다. 보통 파일 접근, 메모리 할당, 프로세스 제어 등 운영체제만 수행할 수 있는 작업이며, 이는 사용자 모드에서는 못하는 명령어 수준이다.

System Call의 과정

1. 사용자 프로그램이 System Call
2. Trap 명령을 통해 Kernel Mode 로 전환
3. 커널이 어떤 요청인지 확인 후 파라미터 검사
4. 요청 처리 후 다시 사용자 모드로 전환

Exception 과정

• 잘못된 명령어 실행 및 접근 불가 메모리 사용 시 Trap 발생
• 커널이 이를 감지하고 운영체제가 비정상 종료 처리를 함
• 종료 시 오류 메시지 + Memory Dump를 생성함

1.4.3 Timer

운영체제는 사용자 프로그램이 무한 루프에 빠지거나 운영체제에 제어를 반환하지 않는 것을 방지해야 한다.

이를 위해 Timer 를 도입하고, 다음과 같이 동작한다:

1. 운영체제가 타이머를 설정
2. 일정 시간이 지나면 인터럽트 발생
3. 운영체제가 제어권을 다시 획득 즉, 빌리는 것이다.

이를 구현하는 방식으로는:

• 고정 속도 클럭(Clock)과 카운터(Counter)가 필요
• 운영체제가 타이머의 Counter 를 설정
• Clock 이 1 tick 할 때마다 Counter 를 -1
• Counter가 0이 되면 Interrupt 발생

10 비트 카운터 + 1ms 클럭
-> 1~1024(2^10)ms 범위로 인터럽트 설정 가능

운영체제는 사용자 프로그램에 제어를 넘기기 전에 반드시 타이머를 설정한다. 만약 타이머 인터럽트가 발생하면 제어는 자동으로 운영체제로 전환된다. 이때 운영체제는 이 인터럽트를 치명적인 오류(fatal error)로 간주하거나 프로그램 실행 시간을 연장해 줄 수도 있다.

여기서 타이머의 내용을 수정하는 명령어는 특권 명령이며, 일반 사용자 프로그램이 직접 변경할 수 없다.

Linux Timer

리눅스에는 커널 설정 파라미터인 HZ 가 타이머 인터럽트의 빈도를 지정한다.

HZ = 250
-> 타이머는 초당 250번의 인터럽트를 발생시킴
-> 4밀리초마다 한번의 인터럽트가 발생

따라서 리눅스에서 또 파생되어 나오는 우분투, 레드햇 등등이 이런 HZ 값이 달라질 수도 있다.

이와 관련된 커널 변수로는 jiffies 가 있고, 시스템이 부팅된 이후 발생한 타이머 인터럽트의 총 횟수를 나타낸다.

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✒️ 용어

Virtual Memory

실제 메모리(RAM)의 용량을 넘는 프로그램 실행을 가능하게 해주는 메모리 관리 기법이다. 운영체제가 Secondary Storage의 일부 공간을 마치 주기억장치처럼 사용하도록 하여, 프로세스는 연속적이고 큰 메모리 공간이 있는 것처럼 동작할 수 있게 한다.

주요 특징

• 프로그램은 전체를 한 번에 메모리에 올리지 않고, 필요한 부분만 메모리에 적재
• 나머지는 디스크에 저장되어 있다가 필요할 때 메모리로 불러온다 (Page 교체)
• 메모리 주소는 가상 주소(Virtual Address)로 관리되며, 하드웨어의 MMU(Memory Management Unit)가 이를 실제 물리 주소로 변환한다

장점

• 실행 중인 프로그램 수 증가 가능
• 메모리 사용의 효율 증가
• 프로그램 간 메모리 보호(격리) 가능

단점

• 디스크 접근은 느리기 때문에 과도한 페이지 교체가 발생하면 속도 저하 발생 (→ 스래싱 현상)

요약: 실제 메모리보다 더 많은 메모리를 쓰는 것처럼 “속임수”를 써서 실행시키는 운영체제의 중요한 기능

Daemon

백그라운드에서 지속적으로 실행되며, 특정 작업이나 요청을 대기 및 처리하는 프로그램 또는 프로세스. 사용자와 직접 상호작용하지 않으며, 시스템의 서비스나 자원을 자동으로 관리함.

주요 특징

• 시스템 부팅 시 자동 시작되며 종료될 때까지 계속 실행됨
• 사용자 입력 없이 작동하며, 요청이 올 때까지 대기 상태(idle) 유지
• 프로세스 이름 끝에 보통 d가 붙음 (예: httpd, sshd, crond)

sshd: SSH 접속 요청을 대기 및 처리
httpd: 웹 서버 요청을 처리
crond: 예약 작업을 일정에 따라 자동 실행
…

Trap

Trap은 운영체제가 개입해야 할 상황에서 CPU가 발생시키는 소프트웨어 인터럽트이다. 사용자 프로그램에서 의도적으로 커널 기능(운영체제 기능)을 호출하거나, 예외 상황(예: 0으로 나누기, 메모리 접근 오류)이 발생했을 때 운영체제가 개입할 수 있도록 한다.

System Call

사용자 프로그램이 운영체제의 기능(서비스)을 요청할 때 사용하는 인터페이스. 일반 프로그램은 직접 하드웨어를 제어할 수 없기 때문에, 운영체제를 통해 간접적으로 하드웨어나 자원에 접근해야 한다. 이때 사용하는 것이 시스템 콜이다.

예: 파일 열기, 읽기, 쓰기 (open(), read(), write())
프로세스 생성 (fork())
메모리 할당 (mmap())
네트워크 통신 (socket())

과정

1. 사용자 프로그램이 시스템 콜 호출
2. Trap 명령어를 통해 커널 모드(Kernel Mode)로 전환
3. 커널의 System Call Handler가 요청 처리
4. 처리 결과를 사용자 프로그램에 반환하고 사용자 모드(User Mode)로 복귀

특징

• 운영체제와 사용자 프로그램 사이의 경계(보안과 안정성) 유지
• 커널 모드로 진입하는 유일한 공식 통로

Memory Dump

프로세스가 비정상 종료가 되었을 시에 저장되는 메모리 상태이며, 디버깅에 활용된다.

Systemd

Linux 초기화 시스템이자 주요 Daemon 관리 도구이다.

⭐️MMU(Memory Management Unit)

Virtual Address -> Physical Address 변환을 담당하는 하드웨어

Physical memory

실제 컴퓨터에 장착된 메모리(RAM)를 의미한다. CPU가 직접 접근 가능한 주소 공간으로, 운영체제가 메모리 관리를 위해 사용한다.

특징

• 하드웨어적으로 존재하는 메모리 칩의 용량과 구조
• 주소는 0번부터 메모리 크기만큼 연속적인 물리 주소(Physical Address)로 구성
• 운영체제는 이 공간을 효율적으로 나누어 사용자 프로그램에 할당

예: 16GB RAM이 있다면, 그게 곧 물리적 메모리

Logical Memory

사용자 프로세스 입장에서 보이는 메모리 공간을 말한다. 즉, 프로세스가 인식하는 주소 공간이며, 실제 물리 메모리와는 다를 수 있다.

• 보통 0번 주소부터 시작하는 가상의 연속 메모리 공간
• 운영체제는 논리 주소(Logical Address)를 물리 주소로 변환(정확히는 MMU가 변환, 운영체제는 명령을 시킴)
• 이 추상화를 통해 각 프로세스가 독립된 주소 공간을 갖고 있는 것처럼 보이게 함

예: 두 개의 서로 다른 프로그램이 둘 다 0x00000000 주소를 사용할 수 있음
실제론 서로 다른 물리 주소로 매핑됨 (운영체제가 관리)

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🔗 출처

• 도서: Operating System Concepts 10th Edition