[정처기] 운영체제

■ 운영체제 종류

- 윈도우 (Window): 마이크로소프트사에서 개발한 운영체제
- 유닉스 (Unix): 미국 AT&T 벨 연구소에서 개발한 운영체제 → 커널(Kernel) / 쉘(Shell)로 구성
- 리눅스 (Linux): 리눅스 토발즈가 유닉스를 기반으로 개발한 운영체제
- MacOS / iOS: 애플이 유닉스를 기반으로 개발한 운영체제
- Android: 구글이 리눅스 커널 기반으로 개발한 개방형 모바일 운영체제

※ UNIX 구성요소

커널 (Kernel)	- 하드웨어 보호 / 프로그램 및 하드웨어 간 인터페이스 역할 - 프로세스 관리, 기억 장치 관리, 파일 관리, 입출력 관리, 데이터 전송 및 변환, 쉘 프로그램 실행을 위한 프로세스 및 메모리 관리
쉘 (Shell)	- 사용자의 명령 인식/해석 후 커널로 전달, 명령을 수행 (반복적인 명령 프로그램을 만드는 프로그래밍 기능 제공) - 시스템과 사용자 간 인터페이스 역할 - 초기화 파일을 이용해 사용자 환경 설정 - UNIX Shell 환경 변수: set, env, printenv, setenv

■ 주기억장치

• RAM(Random Access Memory)
  • 휘발성 (전원 off 시 data 없어짐) / 실행 중인 프로그램 저장

	속도	집적도	전력소모	재충전	용도
SRAM (정적)	빠름	낮음	많음	불필요	캐시
DRAM (동적)	느림	높음	적음	필요	주기억

• ROM(Read Only Memory)
  • 전력공급 없어도 내용 사라지지 않음 (비휘발성)
  • CMOS SETUP으로 값 수정 가능
  • H/W와 S/W의 중간인 일종의 펌웨어 (firmware)
  • 업데이트만으로 시스템 성능 향상
  • 부팅 시 가장 먼저 동작하여 자체 진단 (POST) 실행
  • BIOS에는 날짜, 전원관리, 부팅순서, 기본글꼴, 칩셋, 시스템 암호 (Windows 암호 X), PnP (Plug and Play), 하드디스크 타입, 안티바이러스 등의 정보 포함

Mask ROM	제조 과정에서 저장된 ROM, 임의 수정 불가
PROM	한번만 기록 가능, 이후는 읽기만 가능
EPROM	자외선 신호를 이용한 ROM
EEPROM	전기 신호를 이용한 ROM (플래쉬 메모리) - BIOS ROM으로 활용 및 업데이트 가능

 

■ 기타 메모리

• 레지스터(Register)
  - CPU(중앙처리장치) 내부에서 처리할 명령어나 연산의 중간 값 등을 일시적으로 저장하는 휘발성 메모리 (메모리 중 가장 빠른 속도)
  
  
• 캐시 메모리
  - SRAM을 이용하여 CPU(빠름)과 주기억장치(느림) 사이의 속도 차이 해결 (버퍼 메모리 일종)
  → 캐시 적중률이 높을수록 시스템 처리 속도 증가
  
  
• 가상 메모리
  - 보조기억장치를 주기억장치처럼 사용하는 메모리 (기억용량 확대)
  - 큰 프로그램 실행 가능 / 매핑-mapping 방식 필요
  
  
• 플래시 메모리
  - MP3나 디지털카메라 등에서 사용되는 일종의 EEPROM(비휘발성)
  - ex. USB / SD Card / NAND Flash / SATA Memory
  
  
• 버퍼 메모리
  - 데이터 일시적으로 저장해 두 장치 간 데이터 전송 속도 차이 해결
  
  
• 연상(연관) 메모리
  - 저장된 데이터의 일부를 이용하여 기억장치에 접근 후 데이터 확인 내용 참조(매핑-mapping 방식)
  - 주소가 아닌 내용을 참조

★ H/W 처리 속도: 레지스터 > 캐시 메모리 > 주기억 장치 > 보조기억장치
 

■ 기억장치 관리 전략

반입 전략 (Fetch)	요구 반입	특정 프로그램/데이터의 참조를 '요구'할 때 적재
	예상 반입	미래의 참조가 '예상'되는 데이터를 미리 적재
배치 전략 (Placement)	최초 적합 (First Fit)	사용 가능한 '첫 번째' 분할 영역에 데이터 배치
	최적 접합 (Best Fit)	단편화를 '최소화'하는 분할 영역에 데이터 배치
	최악 적합 (Worst Fit)	단편화를 '최대화'하는 분할 영역에 데이터 배치
교체 전략(Replacement)	새로운 데이터를 배치하고자 할 때 기존 사용 중 데이터를 교체 ex. FIFO, OPT, LRU, LFU, NUR ・・・

 

■ 페이지 분할 기법

1) 페이징 기법 (Paging)
- 가상기억장치에 보관된 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일(일정) 크기로 분할 후 나눠진 프로그램(페이지)을 동일하게 나눠진 주기억장치이 영역(페이지 프레임)에 배치하여 실행하는 기법 (내부 단편화 발생 가능성 존재)

▶︎ 작은 페이지 크기: 페이지 단편화 감소 / 페이지 이동시간 감소 / 워킹 셋 유지 / 맵 테이블 크기 커지며 매핑 속도 감소 / 입출력 시간 증가
▶︎ 큰 페이지 크기: 맵 테이블 크기 작아지며 매핑 속도 증가 / 입출력 시간 감소 / 페이지 단편화 증가 / 페이지 이동시간 증가 / 불필요 데이터 적재 


2) 세그먼테이션 기법 (Segmentation)
- 가상기억장치에 보관된 프로그램을 다양한 크기의 논리적 단위로 분할 후 (Segment) 주기억 장치에 배치 및 실행 (외부 단편화 발생 가능성 존재)
 

■ 페이지 교체 알고리즘

• OPT
  • 앞으로 가장 오랫동안 사용하지 않을 페이지 교체
  • 페이지 부재 횟수가 가장 적게 발생 / 효율적 교체 알고리즘
• FIFO(First-in First-out)
  • 가장 먼저 들어와 가장 오래 있었던 페이지 교체
• LRU(Least Recently Used)
  • 최근에 가장 오랫동안 사용하지 않은(오래 전에 사용된)페이지를 교체
• LFU(Least Frequently Used)
  • 사용 빈도가 가장 적은 페이지를 교체 / 활발한 페이지는 교체 X

 

■ 프로세스(Process)

- 프로세서(CPU)에 의해 처리되는 사용자/시스템 프로그램
- 프로세트 제어 블록 (PCB, Process Control Block)에 식별자, 상태 등의 중요 정보를 저장
- 각 프로세스 실행 시 공유 PCB 생성, 작업 완료 후 PCB 제거

※ Dispatch: 준비 상태에서 대기 중인 프로세스가 실행 상태로 전이되는 과정
※ Wake up: 입출력 작업이 완료되어 프로세스가 대기 상태에서 준비 상태로 전이
※ Contect Switching(문맥 교환): 이전 프로세스의 상태 레지스터 내용 보관하고 다음 프로세스의 레지스터를 적재하는 과정
 

■ 스레드(Thread): 프로세스 내 작업 단위 / 프로그램 단위

- 단일: 하나의 프로세스에 하나의 스레드
- 다중: 하나의 프로세스에 복수 스레드
- 동일 프로세스 환경 내 서로 다른 독립적 다중 스레드 수행 가능
[장점]
- 한 프로세스 내 복수의 스레드 생성하여 작업 병행성 향상
- 응답 시간 단축
- 기억 장소 낭비 최소화
- 프로세스 간 통신 향상
- 운영체제 성능 및 프로그램 처리 효율 향상
- 접근 가능한 기억장치 사용
- 사용자 수준: 사용자가 만든 라이브러리를 이용한 스레드 운용, 속도 빠르나 구현 어려움
- 커널 수준: 운영체제의 커널에 의한 스레드 운용, 구현 쉬우나 속도 느림
 

■ 스케쥴링: 여러 프로세스의 처리 순서를 결정하는 기법

1) 선점형: 운영체제가 실행 중인 프로세스로부터 CPU를 강제 빼앗음
→ 프로세서 별 CPU 처리 시간에 순서 조정으로 효율적 운영 가능 / 높은 오버헤드

• RR(Round Robin):
  • 우선 순위 없이 시간 단위로 CPU 할당 (공정한 자원 분배), 도착한 순서에 따라
  • 각 프로세스는 할당된 시간 만큼만 실행 후 다음 프로세스에 CPU를 넘겨주고 완료되지 않았을 경우 큐의 가장 뒷자리에 배치됨
• SRT(Shortest Remaining Time)
  • 비선점형 SJF 기법을 선점 스케쥴링 형식으로 변경
  • 잔여 실행 시간이 가장 짧은 프로세스에 CPU 우선 할당
• 다단계 큐
  • 프로세스를 그룹화 후 각 그룹마다 다른 준비 상태 큐를 사용
  • 하위 준비 상태의 큐 실행 간 상위 준비 상태 큐 유입 시 상위 프로세서에 CPU 우선 할당
• 다단계 피드백 큐
  • 프로세스 생성 시 가장 높은 우선 순위 준비 큐에 등록되며 등록된 프로세스는 FCFS 순서로 CPU를 할당받아 실행
  • 단계가 내려갈수록 시간 할당향(Time Quantum)이 증가

2) 비선점형: 기존 프로세스가 점유하고 있는 CPU를 빼앗을 수 없음
→ 낮은 처리율 / 적은 오버헤드

• FCFS(First Come First Serve): 프로세서 도착 순서에 따라 처리 순서 결정(=FIFO)
• SJF(Shortest Job First): 준비 상태의 프로세서 중 실행 시간이 가장 짧은 것부터 처리
• HRN(Hightest Response ratio Next)
  • 우선 순위를 계산해 프로세스의 처리 순서 결정
    → 우선 순위 = (대기시간 + 서비스 시간) / 서비스 시간
  • 실핼 시간이 긴 프로세서가 불리한 SJF기법 보안
    
    

 

■ 교착 상태 (Dead Lock): 둘 이상의 프로세스들이 서로 점유하고 있는 자원을 요구하며 무환정 대기하고 있는 상태

[ 교착 상태 필요 충분 조건 ]

상호 배제 (Mutual Exclustion)	한 번에 한 개의 프로세스만이 공유 자원을 사용
점유 및 대기 (Hold and Wait)	최소한 하나의 자원을 점유하면서 다른 프로세스에 할당된 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스 존재
비선점 (Non-preemption)	다른 프로세스에 할당된 자원은 끝날때까지 강제로 선점 불가
환형 대기 (Circular Wait)	프로세스들이 원형으로 구성되어 있어 앞/뒤 프로세스 자원을 요구

[ 교착 상태 해결 방법 ]

예방 (Prevention)	- 교착발생 4가지 조건 중 하나 이상을 사전에 제거하여 예방
회피 (Avoidance)	- 발생된 교착상태를 적절히 피해가는 방법 ※ 은행원 알고리즘: 은행에서 모든 고객의 요구가 충족되도록 현금을 할당하는 데서 유래
발견 (Detection)	- 교착상태에 있는 프로세스 및 자원을 발견 / 점검
회복 (Recovery)	- 교착상태 유발 프로세스 종료 / 프로세스 내 할당된 자원 선점

※ 기억장치 관련 용어

스래싱 (Thrashing)	- 프로세스 처리 시간보다 페이지 교체 시간이 더 많아지는 상태 - 전체 시스템 성능 저하 / 다중 프로그래밍 다발 시 스래싱 발생 [ 방지 방법] 다중 프로그래밍 적정 수준 유지 / 일부 프로세스 중단 / 페이지 부재 빈도 조절 / 워킹 셋 유지
지역성 (Locality)	- 프로세스 실행 간 주기억장치 참조 시 일부 페이지만 집중 참조 - 시간 구역성: 한 페이지를 일정 시간 동안 집중적으로 액세스 → 반복/순환(Loop), 스택(Stack), 부 프로그램(Sub Routine) - 공간 구역성: 프로그램 실행 시 인접한 페이지들도 집중 참조 → 배열순회(Array Traversal), 순차적 코드 실행
워킹 셋 (Working Set)	- 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들을 주기억장치에 상주시켜 페이지 부재 및 교체 현상을 최소화 → 기억장치 사용 안정화
페이지 부재	- 프로세스 실행 중 필요한 페이지가 주기억장치에 누락(부재)