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feat(posting): 1.운영체제에 대하여
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‎_posts/2024-08-16-1-운영체제에-대하여.md

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title: 1. 운영체제에 대하여
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date: 2024-08-16 17:09:00 +09:00
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categories: [CS, Operating Sytstem]
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tags: [개념, cs공부]
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mermaid: true
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## 개요
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우리가 흔히 알고있는 마이크로소프트의 `윈도우`와 `맥 OS(Mac OS)`, `리눅스` 그리고 `IOS`, `안드로이드`가 바로 대표적인 **운영체제**이다.
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운영체제는 어쩌다 만들어졌을까?
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운영체제가 정확히 무엇이고 왜 필요할까?
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운영체제는 어떻게 구성되었을까?
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다음 의문들을 정리하고자한다.
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## 운영체제의 역사
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먼저 운영체제가 만들어진 과거를 살펴보자.
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```mermaid
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title: 운영체제의 역사
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%%{init: { 'logLevel': 'debug', 'theme': 'default' } }%%
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gitGraph TB:
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commit id: "에니악" tag: "1940년"
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commit id: "천공카드" tag: "1950년"
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commit id: "대화형 시스템" tag: "1960년 초반"
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commit id: "다중 프로그래밍, 시분할" tag: "1960년 후반"
37+
commit id: "분산시스템" tag: "1970년 후반"
38+
```
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40+
### 1940년대
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42+
역사의 흐름은 1940년 부터 시작된다.
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진공관이라는 소자를 이용하여, 일종의 스위치 개념으로 켜지면 1, 꺼지면 0이라 판단하였다.
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전선을 연결하여 논리회로를 구성하는 ‘하드와이어링’ 방식으로 동작했다.
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### 1950년대
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이후 1950년대에 들어서는 논리적으로 순차 처리하는 **<font color='dodgerblue'>일괄 작업 시스템</font>**으로 발전했다.
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천공카드 시스템을 도입하여, 프로그램을 구성한 후 카드에 구멍을 뚫어 컴퓨터에 입력하면 프로그램이 실행되는 방식이다.
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![천공카드](https://i.namu.wiki/i/kFTvC6ngfb5B9VXQtMh24SkfW947SpytjRGrPSE5L0HMW8iDQFpJBT3Da-e7oNcIjRgE1iL0VwxxOXuo8Bk0Tw.webp){: width="500" height="300" }
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_천공 카드_
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또한, 라인프린터를 이용하여 출력을 수행하였다.
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```mermaid
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flowchart LR
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A("천공카드 리더")-->|프로그램 및 데이터 입력|B[("메모리")]-->|결과 출력|C("라인 프린터")
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style A fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px
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style B fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px
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style C fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px
65+
```
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메인 메모리가 운영체제 영역과 사용자 영역으로 나뉘었기에, 이때부터 운영체제가 도입되었다고 볼 수 있다.
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### 1960년대 초반
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주변 기기들(모니터, 키보드 등)이 생겨나면서 입력 값에 따라 작업의 흐름이 바뀌는 **<font color='dodgerblue'>대화형 시스템</font>**을이 등장하게 되었다.
72+
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이를 통해, 문서 편집기, 게임 등과 같은 응용 프로그램 개발이 가능해졌다.
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### 1960년대 후반
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여러 작업을 시간을 분할하는 방법을 이용하여 동시에 처리하는 것 처럼 보이는 **<font color='dodgerblue'>시분할 시스템</font>**까지 발전하게 되었다. 시분할 시스템의 아이디어는 1960년에 시연되었지만, 구축이 어렵고 비쌌기 때문에 1970년대 초까지 보편화되지 못했다고 한다.
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잘게 나뉜 시간 한 조각을 `타임 슬라이스` 또는 `타임 퀀텀` 이라고 한다.
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![시분할](https://velog.velcdn.com/images/lixxce/post/8866342d-3c4e-41bf-9059-37d301f41a61/image.png){: width="500" height="300" }
82+
_시분할 시스템 구조_
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이와 함께 다중 프로그래밍이라는 개념도 생겨났다.
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다중 프로그래밍이란, CPU 작업과 입출력 작업을 병행하는 것을 말한다.
87+
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시분할 시스템을 이용하게 되면, 사용자는 마치 자신이 컴퓨터를 독점하여 원하는 대로 사용하는 듯한 착각을 가지게 된다.
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또한, 짧은 시간 단위로 프로세스가 스위칭 되기 때문에, 대화식 처리에 유리하다는 장점이 있다.
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때문에, 오늘날의 대부분의 시스템은 시분할 시스템을 이용하고 있다.
93+
94+
### 1970년 후반
95+
96+
인터넷이 보급됨에 따라 **<font color='dodgerblue'>분산 시스템</font>**이 생겨났다.
97+
98+
개인용 컴퓨터와 인터넷이 보급되면서, 작은 컴퓨터를 하나로 묶어 대형 컴퓨터의 성능을 내도록 하는 시스템을 만들 수 있었다.
99+
100+
이를 네트워크 상에 분산 되어 있는 여러 컴퓨터로 작업을 할당하여 각각 개별적으로 처리하도록 하는 방식이다.
101+
102+
### 1990년 이후
103+
104+
분산 시스템을 만들어낸 이후, 이는 곧 **<font color='dodgerblue'>서버-클라이언트 시스템</font>**으로 발전했다.
105+
106+
서버의 부담을 줄이고자 P2P가 등장하였고,
107+
108+
필요한 기간만큼 사용하고 비용을 지불하는 컴퓨팅 환경을 얻기 위해 **<font color='dodgerblue'>그리드 컴퓨팅, 클라우드 컴퓨팅</font>** 등이 뜨고 있다.
109+
110+
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111+
112+
## 운영체제의 정의
113+
114+
이제 운영체제란 정확히 무엇인가에 대해 알아보고자 한다.
115+
116+
OS(Operating System)는 일종의 시스템 소프트웨어이다.
117+
118+
앞서 역사를 살펴 보았을 때, 진공판, 일괄처리, 대화형, 시분할, 분산 시스템 등과 같은 발전 과정이 있었다. 이때, 운영체제가 생겨난 시점은 일괄처리 작업이 생겨난 시점이다.
119+
120+
왜 생겨났을까?
121+
122+
일괄처리 작업에서 우리는 입력 이후, 출력이 발생할 때 까지 별도의 작업을 할 수 없었다.
123+
124+
때문에 처음 작성한 프로그램이 컴퓨터를 보다 효율적으로 사용해야 할 필요가 있었다.
125+
126+
그로 인해, 간단한 작업 스케줄링과 자원 관리를 담당하는 소프트웨어가 필요했다.
127+
128+
바로 이것이 운영체제의 시작이다.
129+
130+
즉 **<font color='dodgerblue'>운영체제</font>**는, 응용 프로그램이나 사용자에게 컴퓨터 자원을 사용할 수 있는 인터페이스를 제공하고 그 결과를 돌려주는 **<font color='dodgerblue'>시스템 소프트웨어</font>**라고 할 수 있다.
131+
132+
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133+
134+
## 운영체제의 역할
135+
136+
다음은 운영체제의 역할에 대해서 알아보고자 한다.
137+
138+
위의 내용을 정리하며 요구되는 기본 역할은 다음과 같다.
139+
140+
- **자원 관리 :** 하드웨어의 자원 관리 및 할당
141+
- **메모리 관리 :** 컴퓨터의 메모리를 효율적으로 관리, 메모리 할당 및 해제, 가상메모리 관리
142+
- **프로세스 관리 :** 실행중인 프로세스 관리, 프로세스 생성, 실행, 정지, 중지등을 제어
143+
- **입출력 관리 :** 입출력 장치와의 상호작용
144+
- **사용자 인터페이스 :** GUI / CLI
145+
146+
그 외도 다음과 같은 역할이 존재한다.
147+
148+
- **디스크 및 파일 시스템 관리 :** 파일의 생성, 삭제, 복사, 이동 등의 작업을 처리
149+
- **네트워크 관리 :** 프로토콜을 지원, 컴퓨터 간의 통신을 가능케 하고 데이터 전송 및 보안을 관리
150+
- **오류 처리 :** 시스템 내/외부에서 발생하는 오류와 예외를 처리. 비정상 종료, 메모리 오버플로우, 입출력 오류등을 처리
151+
- **시스템 보안:** 접근 제어, 사용자 인증, 암호화
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154+
155+
## 운영체제의 구조
156+
157+
![운영체제구조](https://blog.kakaocdn.net/dn/bvcJC0/btsaSSEbaXQ/F8cXFmmlU6l1Di9MU6YMf1/img.gif)_운영체제의 구조_
158+
운영체제는 커널, 인터페이스, 시스템 콜, 드라이버 총 4가지 구성요소로 이루어져있다.
159+
160+
### 커널(Kernel)
161+
162+
첫번째로 가장 중요한 것은 커널이다. 커널은 용어 자체도 '핵심의' 같은 의미이다.
163+
다음과 같은 핵심 역할이 있다.
164+
165+
- 프로세스 관리
166+
- 프로세스에 CPU를 배분하고 작업에 필요한 환경 제공
167+
- 메모리 관리
168+
- 프로세스에 작업 공간을 배치하고 실제 메모리 공간보다 큰 가상 메모리 공간을 제공
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- 파일 시스템 관리
170+
- 데이터를 저장/접근할 수 있는 인터페이스 제공
171+
- 입출력 관리
172+
- 프로세스간 통신 관리
173+
174+
### 인터페이스(Interface)
175+
176+
인터페이스는 사용자의 명령을 컴퓨터에 전달하고 결과를 사용자에게 알려주는 역할을 한다.
177+
대표적으로 다음 2가지 종류가 있다.
178+
179+
- GUI(Graphical User Interface)
180+
- CLI(Command Line Interface)
181+
182+
### 시스템 콜(System Call)
183+
184+
커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스이다.
185+
여기서 표현하는 인터페이스의 경우, 위의 인터페이스와 달리 객체지향에서 말하는 인터페이스와 유사한 표현이라고 생각한다.
186+
187+
시스템 콜은 사용자나 프로그램이 직접적으로 컴퓨터 자원에 접근하는 것을 막고 커널을 보호하기 위해서 만든 코드 집합이다.
188+
189+
시스템 콜 함수를 통해 커널에 접근할 수 있다.
190+
아무나 접근하여 보거나 수정할 수 있게 만들면 안되기 때문에 운영체제는 시스템 콜을 통해서만 호출할 수 있게 디자인 되어있다.
191+
즉, 캡슐화가 되어있는 형태이다.
192+
193+
### 드라이버(Driver)
194+
195+
주로, 커널과 하드웨어 인터페이스를 담당한다.
196+
드라이버는 프린터, 키보드 및 디스크 드라이브와 같은 하드웨어 장치와 운영체제 간의 통신을 가능하게 하는 소프트웨어이다.
197+
현재에도 프린터의 경우, 직접 드라이버를 설치하여 네트워크 프린터를 잡는 것을 생각하면 이해할 수 있다.
198+
199+
특수한 목적으로 만들어진 하드웨어의 경우, 모든 명령을 하달하는 것보다 그 하드웨어에 맞게 제공되는 인터페이스를 드라이버를 통해 호출하도록 하는 것이다.
200+
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202+
203+
## 마치며
204+
205+
운영체제의 역사를 전반적으로 살펴보았고, 컴퓨터를 보다 효율적으로 사용하기 위해 도입된 소프트웨어라고 하였다.
206+
207+
또한, 응용 프로그램이나 사용자에게 컴퓨터 자원을 사용할 수 있는 인터페이스를 제공하고 그 결과를 돌려주는 **<font color='dodgerblue'>시스템 소프트웨어</font>**라고 하였다.
208+
209+
또, 운영체제는 커널, 인터페이스, 시스템 콜, 드라이버 등으로 구성되었다.
210+
이때, 캡슐화의 원리가 매우 자연스럽게 녹아들어있었다.
211+
212+
또한, 운영체제 역시 결국 사용자에게 하여금 원리나 구조등을 숨겨 자동으로 동작됨을 생각하면 캡슐화 되어있다는 생각을 하게 된다.
213+
214+
어떻게 보면 캡슐화는 필수 불가결하다.
215+
실제로 운영체제를 통해 안정적이고, 효율적인 동작을 하기 위해서는 사용자 또는 응용프로그램이 직접 하드웨어에 접근하는 것을 막아야 한다.
216+
217+
때문에 **User Mode(CPU 명령어 사용을 제한)**와 **Kernel Mode(CPU 명령어를 사용해 하드웨어를 직접 제어)**로 분리해 사용하게 된다. 그리고 User Mode와 Kernel Mode 사이는 시스템 콜(System Call)을 통해서 전환된다.
218+
219+
다음 포스팅에서는 해당 내용을 다뤄보도록 하겠다.
220+
221+
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222+
223+
## 참고자료
224+
225+
- [[운영체제]시분할 시스템(Time-sharing System)](https://velog.io/@lixxce/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C%EC%8B%9C%EB%B6%84%ED%95%A0-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9CTime-sharing-System)
226+
- [[운영체제] 운영체제(OS)란?](https://jerryjerryjerry.tistory.com/171)
227+
- [운영체제(OS)란? 개념과 구조(커널, 시스템콜 등)](https://coduking.tistory.com/entry/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9COS%EB%9E%80-%EA%B0%9C%EB%85%90%EA%B3%BC-%EA%B5%AC%EC%A1%B0%EC%BB%A4%EB%84%90-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C%EC%BD%9C-%EB%93%B1)

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