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단일형 커널(Monolithic Kernel)

초기에 생겨난 가장 보편적인 형태이다. 커널의 다양한 서비스 및 높은 수준의 하드웨어 추상화를 하나의 주소 공간으로 묶은 것이다.

모든 모듈이 같은 주소공간에서 실행되기 떄문에 코드의 집적도는 조밀하고 수정하기 어려우며, 한 모듈의 버그가 시스템 전반을 멈추게 할 수 있다. 하지만, 구현이 신뢰할 수 있을 정도로 완성되면 구성 요소의 내부 집적이 내부의 시스템 이용을 효과적이게 하여 높은 효율을 보인다.

초기 유닉스, 리눅스, 도스 등이 대표적이다.

마이크로 커널(Micro Kernel)

마이크로 커널은 컴퓨터 과학에서 운영체제에 추가되어야 하는 메커니즘을 최소한으로 제공하는 초소형 커널이다.
낮은 수준의 주소 공간 관리, 스레드 관리, 프로세스간 통신(IPC)을 포함한다.

일반적으로 커널이 제공하는 네트워킹과 같은 다른 서비스들은 사용자 공간 프로그램인 서버로 구현된다.

모놀리식 커널에 비해 문맥교환이 잦아 오버헤드가 비교적 크게 일어난다.

혼합형 커널(Hybrid Kernel)

본질적으로 마이크로 커널을 따르나, 일부 커널의 비본질적 기능이더라도 사용자 레벨에서 수행될 때 성능상 느린 코드들을 커널 레벨에서 수행하도록 수정한것을 말한다.

엑소 커널

엑소 커널은 말단 이론을 따르는 수직 구조의 운영체제이다.

엑소 커널을 강제적인 추상화를 줄여 개발자에게 하드웨어 추상화에 대해 선택지를 다양하게 하는것이다.

운영체제에서 보통 제공하는 서비스에는 부팅 서비스, 사용자 서비스, 시스템 서비스, 시스템 호출이 있다.

1.부팅 서비스

부팅 서비스는 컴퓨터 하드웨어를 관리하고 프로그램을 실행할 수 있도록 컴퓨터에 시동을 거는것이다.

운영체제를 메인메모리에 적재하는 과정을 부팅 혹은 부트스트래핑이라고 한다.

부트 로더는 하드디스크와 같은 보조기억장치에 저장된 운영체제를 메인 메모리에 적재하는 ROM에 고정시킨 소규모 프로그램이다.

2.사용자 서비스

1) 사용자 인터페이스(UI) 제공

사용자 인터페이스는 사용자와 컴퓨터 간의 상호작용이 발생하는 공간으로, CLI, 메뉴, GUI등의 형태로 구현할 수 있다.

CLI : Command Line Interface (명령 인터페이스)
GUI : Graphical User Interface (그래픽 사용자 인터페이스)

2) 프로그램 실행

운영체제는 프로그램을 실행하기 위해 메모리 할당, 해제, 프로세서 스케줄링같은 작업을 처리한다.

3) 입출력 동작 수행

입출력 동작을 직접 수행할 수 없는 사용자 프로그램의 입출력 동작 방법을 제공한다.

4) 파일 시스템 조작

파일 시스템 조작 서비스를 제공해 사용자가 파일을 저장/삭제 작업을 쉽게 할 수 있게 한다.

5) 통신(네트워크)

프로세스끼리 정보를 교환하는 방식에는 두가지가 있다.
첫번째는 동일한 컴퓨터에서의 프로세스간 교환
두번째는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에서 수행하는 프로세스간의 교환이다.
운영체제는 다중 작업 환경에서 공유 메모리를 이용하거나 메세지 전달로 다양한 유형의 프로세스와 통신을 지원한다.

6) 오류 탐지

운영체제는 가능한 모든 하드웨어와 소프트웨어 수준에서 시스템을 모니터링하고 조정함으로써 하드웨어 문제를 예방한다.
 

3.시스템 서비스

1) 자원 할당

다수의 사용자가 있거나 다수의 작업을 실행할 때는 운영체제가 자원을 각각 할당해 관리한다. 

2) 계정

각 사용자가 어떤 자원을 사용하는지 정보를 저장하고 추적한다.

3) 보호와 보안

다중 사용자 컴퓨터 시스템에 저장된 정보 소유자의 사용을 제한할 수 있다.
사용자가 여럿인 컴퓨터 시스템에서 여러 프로세스의 동시 실행을 허용하려면 각 프로세스를 서로의 활동에서 보호해야 한다.

4.시스템 호출

시스템 호출은 프로그램과 운영체제간의 인터페이스이다.
사용자 프로그램은 시스템 호출을 통해 운영체제의 기능을 제공받는다.

시스템 호출 방법에는 두가지가 있다.
1) 프로그램에서 명령이나 서브루틴의 호출 형태로 호출하는 방법
2) 시스템에서 명령 해석기를 사용하여 대화 형태로 호출하는 방법

시스템 호출의 유형으로는 프로세스 제어, 파일 조작, 장치 관리, 정보 유지, 통신 등이 있다.

일괄처리 시스템

초기 운영체제인 일괄 처리 시스템은 작업 준비 시간을 줄이기 위해 데이터를 받는 즉시 처리하지 않고 일정기간(량)을 모아 한번에 처리하는 방식이다.

이로써 다수의 사용자와 프로그램이 컴퓨터 자원을 공유할 수 있었다.

멀티 프로그래밍 시스템

여러 프로그램을 메모리에 나눠 적재한 후, 프로세서를 번갈아 할당하여 프로세서의 사용을 극대화해 여러 프로그램을 동시에 실행하는것이다.

프로세서가 프로그램을 빠르게 번갈아 처리하기때문에 동시에 실행되는것처럼 보인다. 하지만 실제로는 그림과 같이 프로그램의 유휴시간동안 다른 프로그램을 처리하는것이다.  

멀티 프로세싱(다중 처리) 시스템

멀티 프로세싱 시스템(multiprocessing)은 하나의 컴퓨터에 여러개의 CPU(혹은 멀티코어)를 장착하고 하나 이상의 프로세스들을 동시에 처리하는것을 의미한다. 더 넓은 범위로 해석하면 컴퓨터 한대가 아닌 여러 장치에서 병렬로 처리하는것이기도 하다.

시분할 시스템

실시간 시스템

실시간 시스템은 일정시간(제약) 내에 응답하는것을 목표로 하는 시스템이다.

시간 제약의 엄격함에 따라 경성 실시간 시스템(hard real time processing system)과 연성 실시간 시스템(soft real time processing system)으로 나뉜다.

경성 실시간 처리 시스템은 작업의 실행 시작이나 완료에 대한 시간 제약 조건을 지키지 못할 때 시스템에 치명적인 영향을 주는 시스템이다. 예로 무기 제어, 발전소 제어, 철도 자동 제어, 미사일 자동 조준 등이 있다.

연성 실시간 처리 시스템은 작업 실행에서 시간 제약 조건은 있으나, 이를 지키지 못해도 전체 시스템에 치명적이지 않은 시스템이다. 예로 동영상 프레임이 있다.

버퍼링은 프로세서(전자적 속도)와 입출력장치(기계적 속도)의 속도 차이로 생긴 유휴 시간이 없도록 입출력장치별로 입출력 버퍼를 두어, 프로세서에서 연산을 할 때 동시에 다른 작업을 입출력 하는 방법이다.

스풀링(*spool = simulatneous peripheral operation on-line)은 디스크를 버퍼처럼 사용하여 입출력장치(라인프린터나 카드판독기 등)에서 미리 읽는 것이다

둘 모두 프로세서와 입출력장치간의 속도차이를 보완하기 위한 개념이지만, 버퍼링은 하드웨어의 일부인 버퍼를 사용하고, 스풀링은 별개의 오프라인 장치를 사용한다는 점에서 차이가 있다.

따라서 버퍼링이 하나의 입출력 작업과 그 작업의 계산만 함께 할 수 있는 반면에, 스풀링은 여러 작업의 입출력과 계산을 동시에 할 수 있다. 

운영체제는 사용자가 하드웨어를 효율적으로, 그리고 편리하게 사용할 수 있도록 돕는 소프트웨어이다.

운영체제의 의의는 다양한 프로그램이 컴퓨터 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 관리 하는데에 있다.

운영체제의 역할은 다른 응용프로그램이 제 역할을 수행하도록 환경을 조성(조정자)하고, 효율적으로 자원을 관리(자원 관리자)하며, 오류발생과 입출력장치를 제어(응용프로그램/입출력장치 제어자)하는것이다.

운영체제에서 제공하는 기능은 크게 두가지로, 자원 관리와 시스템 관리로 나눌 수 있다.

자원 관리 기능은 다음으로 나눌 수 있다.

1) 메모리 관리

2) 프로세스 관리

3) 주변장치(입출력 장치)관리

4) 데이터 관리

시스템 관리 기능은 다음과 같다.

1) 시스템 보호(사용자 권한 부여)

2) 네트워킹, 통신

3) 명령 해석기

초기 운영체제는 컴퓨터 시스템의 성능을 향상시키려고 발전해왔다. 

하드웨어가 발전함에 따라, 시스템 성능과 더불어 사용자의 편의성에도 무게가 실리기 시작했다..

명령어는 연산부호, 피연산자로 이루어져있다.

연산부호(Operation Code)는 산술연산, 시프트, 논리연산, 보수 등의 연산을 정의한다.

ex) +, -, *, /, AND, OR, NOT 등...

피연산자(Operand)는 연산할 데이터를 저장한다. 보통 데이터보다는 데이터 주소를 저장한다.

A = B + C 

A는 목적지 피연산자이며 연산 결과를 저장할 목적지 주소를 가지고있다.

B와 C는 소스 피연산자로, 연산에 필요한 데이터 주소를 가지고 있다.

피연산자의 주소를 나타내는 방식에는 직접 주소(direct address), 간접 주소(indirect address) 등이 있다.

직접 주소는 피연산자에 데이터가 있는 메모리 주소를 지정한다.

간접 주소는 피연산자에 데이터가 있는 메모리주소 정보를 지정한다.

이 둘의 차이점은 간접주소는 데이터 주소 정보를 통해 데이터 주소를 한번 읽고, 읽어낸 주소를 바탕으로 데이터를 읽어내 총 두 번 메모리를 참조하지만, 직접주소는 한번에 데이터를 읽을 수 있다는 점에 있다.