이번 포스팅에서는 운영체제의 구조에 대해 간단히 알아보겠습니다.
운영체제는 컴퓨터 시스템의 하드웨어와 사용자 간의 인터페이스를 제공하는 소프트웨어입니다. OS는 하드웨어 자원을 효율적으로 관리하고, 사용자와 애플리케이션이 하드웨어를 활용할 수 있도록 핵심 역할을 합니다.
1. 운영체제의 주요 역할
운영체제는 다음 역할을 수행합니다.
- CPU, 메모리, 입출력 장치 등 자원을 프로세스 간에 할당하고 조정하는 프로세스 관리(여러 프로세스를 동시에 실행할 수 있도록 스케줄링하는 멀티태스킹, 프로세스가 데이터를 교환할 수 있는 방법을 제공)
- 메모리 자원을 효율적으로 사용하고, 애플리케이션이 필요한 메모리 영역을 제공하며, 메모리 충돌을 방지 관리
- 데이터를 저장하고 파일과 디렉토리 구조를 제공하는 파일 시스템 관리
- 디바이스 드라이버를 통해 다양한 하드웨어 장치를 제어하는 입출력 장치 관리
- 사용자와 프로세스 권한을 제한하여 시스템 자원을 보호하는 보안 및 접근제어
2. 운영체제 내부 구조
운영체제는 크게 커널(Kernel)과 유저 모드(User Mode)로 나뉩니다.
2.1. 커널(Kernel)
운영체제의 핵심으로, 하드웨어와 직접 상호작용하며 시스템의 기본 기능을 수행합니다.
모노리딕 커널(Monolithic Kernel)은 커널 내에 모든 기능(프로세스 관리, 메모리 관리, 파일 시스템 등)이 포함된 구조입니다. 빠른 성능이 장점이고, 커널 크기가 크고, 유지보수가 어려운 점이 단점입니다.
마이크로커널(Microkernel)은 최소한의 기능만 커널에 포함시키고 나머지 기능은 사용자 공간에서 동작합니다. 안정성과 보안성이 높으나, 시스템 호출 오버헤드로 인해 성능이 저하될 수 있습니다.
2.2. 유저 모드(User Mode)
애플리케이션이 실행되는 공간으로, 시스템 자원에 직접 접근하지 못하며 커널을 통해 간접적으로 접근합니다.
3. 운영체제의 운영의 핵심
3.1. 프로세스 관리
프로세스는 실행 중인 프로그램을 말하며, 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 다음 작업을 수행합니다.
- 프로세스 상태 : 프로세스는 생성, 실행, 대기, 종료 상태로 변환
- 스케줄링 알고리즘 : CPU 사용을 최적화하기 위해 프로세스를 적절히 분배
- FCFS(First Come First Serve) : 먼저 도착한 프로세스를 먼저 실행
- Round Robin : 프로세스마다 시간 할당량을 주고 순환 실행
- Priority Scheduling : 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행
3.2. 메모리 관리
운영체제는 물리 메모리와 가상 메모리를 효율적으로 관리합니다: 메모리를 고정된 크기의 페이지로 나눠, 프로세스가 필요한 메모리를 동적으로 할당하며, 메모리를 가변 크기의 세그먼트로 나눠 프로그램 논리 구조에 맞게 할당하여 관리합니다.
3.3. 파일 시스템
운영체제는 데이터를 저장하고 검색하기 위해 파일 시스템을 제공합니다.
디렉토리 구조는 데이터를 계층적으로 관리할 수 있으며, 저널링 파일 시스템으로 데이터 손상을 방지하기 위해 변경 사항을 로그에 기록합니다. 파일 시스템 종류로는 NTFS(Windows 운영체제에서 사용)와 ext4(Linux 운영체제에서 사용) 등이 있습니다.
3.4. 입출력 관리
운영체제는 디바이스 드라이버를 통해 다양한 입출력 장치를 제어합니다: 버퍼를 사용해 입출력 속도 차이를 줄이기 위해 데이터를 임시 저장하며, 스풀링을 통해 데이터를 임시로 저장하여 순차적으로 처리합니다.
3.5. 보안과 접근 제어
운영체제는 다음 방법으로 시스템을 보호합니다. 사용자 인증 과정으로 암호, 생체 정보 등을 사용하여 사용자 신원을 확인하고, 접근 권한을 설정해 자원 접근을 제한합니다. 또한 감시 및 로깅 기능으로 시스템 사용 내역을 기록하고 추적합니다.
4. 운영체제 종류
Windows는 사용자 친화적 인터페이스와 광범위한 소프트웨어 호환성을 제공합니다. NT 커널 기반으로 설계되었으며, GUI 중심으로 운영됩니다.
Linux는 오픈 소스 기반으로 자유롭게 커스터마이징이 가능하며, 안정적이고 보안성이 높아 서버 및 임베디드 시스템에서 널리 사용됩니다.
MacOS는 유닉스 기반으로 안정적이며, Apple 하드웨어에 최적화되어있습니다. GUI와 터미널 조화로 사용자 경험이 우수합니다.
이처럼 운영체제는 컴퓨터 시스템의 핵심적인 소프트웨어로, 하드웨어와 소프트웨어 간의 효율적이고 안정적인 상호작용 합니다. 운영체제의 구조와 원리를 이해하면 시스템 성능을 최적화할 수 있습니다.
지금까지 운영체제 내부 구조와 원리에 대한 포스팅이었습니다.