[CS] 운영체제와 컴퓨터

1. 운영체제의 역할과 구조

1) 운영체제의 역할

운영체제: 하드웨어 자원과 사용자 프로그램 사이의 중재 시스템

• 프로세스 관리
  다중 프로그램 실행 환경 제공, 프로세스 생성·종료·상태 관리, CPU 스케줄링
• 메모리 관리
  프로세스별 독립 주소 공간 제공, 가상 메모리 기반 효율적 메모리 사용, 메모리 보호
• 파일 시스템 관리
  저장장치의 파일·디렉터리 구조 추상화
• 입출력 장치 관리
  하드웨어 장치에 대한 공통 제어 인터페이스 제공
• 보안 및 보호
  사용자 모드와 커널 모드 분리, 비정상 접근 차단

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2) 운영체제의 구조

운영체제 구조: 커널 중심 구조

• 커널
  운영체제 핵심 영역, CPU·메모리·디바이스 직접 제어
• 유저 영역
  사용자 프로그램 실행 영역, 하드웨어 직접 접근 불가

핵심 개념: 권한 분리

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(1) 시스템 콜

시스템 콜: 사용자 프로그램이 커널 기능을 요청하는 공식 인터페이스

• 사용자 모드에서 호출
• 커널 모드 전환 발생
• 커널 내부 자원 접근 경로

주요 목적: 보안성과 안정성 확보

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2. 컴퓨터의 요소

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2-1. CPU

CPU: 명령어 해석 및 실행 담당 중앙 처리 장치

운영체제와 가장 밀접하게 동작하는 하드웨어 구성 요소

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(1) 제어장치

제어장치: 명령어 실행 흐름 제어 담당

• 명령어 인출
• 명령어 해석
• 제어 신호 생성 및 전달

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(2) 레지스터

레지스터: CPU 내부 초고속 저장 공간

• 연산 데이터 임시 저장
• 주소 및 상태 정보 저장
• 컨텍스트 스위칭 시 저장·복원 대상

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(3) 산술논리연산장치

산술논리연산장치: 산술·논리 연산 수행 장치

CPU 연산 처리 흐름:

• 명령어 인출
• 명령어 해석
• 데이터 로드
• 연산 수행
• 결과 저장

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(4) 인터럽트

인터럽트: CPU 실행 흐름을 중단하고 이벤트 처리를 유도하는 메커니즘

하드웨어 인터럽트

• 외부 장치 발생 신호
• 예: 키보드 입력, 디스크 I/O 완료, 네트워크 수신

목적: 폴링 방식 비효율 해소

소프트웨어 인터럽트

• 프로그램에 의해 발생하는 인터럽트
• 대표 예: 시스템 콜

목적: 운영체제 서비스 요청

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2-2. DMA 컨트롤러

DMA 컨트롤러: CPU 개입 없는 메모리–디바이스 간 데이터 전송 장치

• 대용량 I/O 처리 시 CPU 부하 감소
• 시스템 전체 성능 향상

동작 개요:

• CPU 전송 요청
• DMA 직접 메모리 접근
• 전송 완료 후 인터럽트 발생

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2-3. 메모리

메모리: 프로그램 및 데이터 저장 공간

운영체제 관점 핵심 요소:

• 가상 메모리
• 주소 공간 분리
• 메모리 보호

프로세스별 독립 메모리 사용 구조

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2-4. 타이머

타이머: 주기적 인터럽트 발생 장치

• 선점형 스케줄링 기반
• CPU 독점 방지 수단

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2-5. 디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러: 하드웨어 장치 제어 전용 장치

• 디바이스 드라이버를 통한 운영체제 제어
• 하드웨어 세부 사항 추상화 계층