운영체제와 컴퓨터

운영체제 소개

일상 생활 속의 운영체제

일반 컴퓨터나 노트북의 전원을 켜면 가장먼저 만나게 되는 소프트웨어

예시

• 개인용 컴퓨터: Window, Mac
• 대형 컴퓨터: Unix, Linux
• 모바일: iOS, Android
• MP3, 네비게이션, PMP 등 작은 전자기기: 임베디드 운영체제(or 임베디드 시스템)

임베디드 운영체제는 CPU의 성능이 낮고 메모리 크기가 작은 기계에 설치되기 때문에 일반 운영체제에 비해 몇 가지 기능이 빠져있다. 또한 임베디드 운영체제가 있는 기계는 기능을 계속 향상할 수 있다.

필요성

초기의 컴퓨터는 정해진 계산만 수행했기 때문에 특별한 사용 규칙이 필요 없었다. 그러나 메모리, CPU 등의 성능이 향상되고, 여러 작업을 동시에 할 수 있는 컴퓨팅 환경이 조성되면서 사용 규칙이 필요해졌다. 복잡한 작업 환경에 규칙이 없으면 기계를 망가뜨릴 수도 있기 떄문에 등장한 것이 바로 운영체제이다.

운영체제 없이도 컴퓨터는 작동한다(ex. 애니악). 운영체제가 없는 기계는 만들 당시에 기능 외에 다른 기능을 추가하거나 성능을 향상할 수 없기 때문에 처음에 설계한 대로만 사용할 수 있다. 반면에 운영체제가 있는 기계는 새로운 기능의 추가나 성능의 변경이 가능하므로 성능 및 효율성의 향상을 꾀할 수 있으며, 이러한 기계를 프로그램이 가능한(programmable) 기계라고 부른다. 운영체제는 성능 향상뿐 아니라 자원 관리(resource management)라는 중요한 역할도 한다. 많은 응용프로그램에 비해 컴퓨터를 구성하는 장치는 매우 제한적이다. 즉, 대부분이 하나의 키보드, CPU, 메모리, 모니터, 마우스, 하드디스크로 이루어져 있어 각각의 응용 프로그램이 장치를 서로 독차지하려한다. 이러한 문제를 해결하려면 자원을 관리하는 강력한 중재자가 필요하다. 이 중재자는 누구에게 먼저 키보드를 주어야 할지, 누구에게 먼저 모니터를 주어야 할지 등을 결정하고, 악의적인 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하는 역할도 담당한다.

운영체제는 사용자가 직접 자원에 접근하는 것을 막음으로써 자원을 보호하고 관리한다. 만약 사용자가 하드디스크에 데이터를 저장할 수 있다면 악의적인 사용자가 데이터를 지우거나 덮어쓰는 일이 발생할 수도 있다. 이를 방지하기 위해 운영체제는 응용 프로그램과 사용자에게 모든 자원을 숨긴다.

운영체제는 사용자가 자원에 직접 접근하지 못하도록 하는 대신 자원을 이용할 수 있는 여러 가지 방법을 제공한다. 이와 같이 사용자가 컴퓨터를 사용할 수 있도록 해주고 그 결과를 알려주는 것을 인터페이스(interface)라고 한다. 운영체제는 사용자가 컴퓨터를 보다 쉽게 사용할 수 있도록 다양한 인터페이스를 제공함으로써 컴퓨터 자원을 보호함과 동시에 사용자의 편의를 도모한다.

이렇듯 운영체제는 다양한 일을 한다. 운영체제는 사용자에게 인터페이스를 제공하고 응용 프로그램에게 컴퓨터 자원을 골고루 배분해준다. 또한 적당한 시점에 응용 프로그램으로부터 자원을 회수하고, 악의적인 응용 프로그램으로부터 컴퓨터를 보호하기도 한다. 즉, 운영체제는 각각의 응용 프로그램이 활동할 수 있는 환경을 제공하고, 응용 프로그램이 필요로 하는 컴퓨터 자원을 나누어주며, 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하는 강력한 '통치자' 역할을 한다. 인터페이스가 무엇인지, 자원 관리가 무엇인지 아직 정확하게 설명하지 않았지만 적어도 운영체제가 필요한 이유는 이해할 수 있을 것이다.

펌웨어: 운영체제는 하드웨어를 조정하고 관리하는 역할을 하므로 하드웨어의 도움 없이 작동하기가 어렵기 때문에 운영체제를 소프트웨어와 하드웨어의 결합 형태인 펌웨어(firmware)라고 부르기도 한다.

운영체제의 정의

운영체제는 사용자에게 편리한 인터페이스 환경을 제공하고 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리하는 소프트웨어이다.
운영체제는 응용 프로그램이나 사용자에게 컴퓨터 자원을 사용할 수 있는 인터페이스를 제공하고 그 결과를 돌려준다. 그리고 응용 프로그램이나 사용자에게 모든 컴퓨터 자원을 숨기고 정해진 방법으로만 컴퓨터 자원을 사용할 수 있도록 제한한다. 하드웨어에 대한 모든 책임을 맡고 있는 운영체제를 거치지 않고는 하드웨어에 접근할 수 없다.

운영체제의 역할

• 자원 관리
  운영체제는 자원을 응용프로그램에 나누어주며 사용자가 원활하게 작업할 수 있도록 돕는다.

• 자원 보호

• 하드웨어 인터페이스 제공
  운영체제는 복잡한 과정 없이 다양한 장치를 사용할 수 있도록 해주는 하드웨어 인터페이스를 제공한다. 운영체제는 CPU, 메모리, 키보드, 마우스와 같은 다양한 하드웨어를 일관된 방법으로 사용할 수 있도록 지원하기 떄문에 우리는 어떤 회사에서 만든 하드웨어인지 신경 쓸 필요가 없다. (하드웨어 인터페이스 지원은 드라이버를 컴퓨터에 설치해야 가능하다) 드라이버는 운영체제를 설치할 때 자동으로 설치되지만 일부 하드웨어의 경우 따로 설치해야 하는데, 이러한 드라이버를 하드웨어 인터페이스라고 한다. 운영체제는 하드웨어 인터페이스가 자동으로 설치되게 함으로써 하드웨어의 종류에 상관없이 사용할 수 있게 해준다.

• 사용자 인터페이스 제공
  하드웨어 인터페이스가 다양한 부품을 편리하게 사용하기 위한 것이라면, 사용자 인터페이스는 사용자가 운영체제를 편리하게 사용하도록 지원하기 위한 것이다. 과게어 유닉스 MS-DOS와 같은 운영체제로 작업할 때는 마우스 없이 키보드만 사용했기 때문에 여러모로 불편했고 일반인이 사용법을 배우기가 쉽지 않았다. 그러나 지금은 운영체제가 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공하므로 대부분의 작업을 마우스로 수행한다.

유틸리티 : 운영체제의 기능이 많아지고 구조가 복잡해진 데다 바이러스의 침투 수법이 지능적으로 발전하여 이를 막는 데 한계가 있다. 이로 인해 바이러스 검사, 디스크 조각 모음, 압축 프로그램과 같이 운영체제의 작업을 보조하는 소프트웨어가 등장했는데 이를 유틸리티(utility)라고 부른다.

운영체제의 목표

운영체제가 지향하는 목표는 여러가지인데, 운영체제의 역할과 연결지어 목표를 살펴보자!

• 효율성
  운영체제의 역할 중 '자원 관리'와 연관되는 목표로 같은 자원을 관리하더라도 효율적으로 관리해야 한다는 의미이다. 적은 자원을 사용하여 더 많은 작업량을 처리하거나, 같은 작업량을 처리하는 데 보다 적은 자원을 사용하는 것이다. 효율적인 자원 관리는 다양한 방법으로 이루어질 수 있는데, 일반적으로 운영체제의 크기를 최소화하고 운영체제가 사용하는 코드를 최적화해야 한다.

• 안정성
  운영체제는 하드웨어 전체를 관리하는 소프트웨어로, 사용자와 응용 프로그램은 운영체제 위에서 작업을 한다고 볼 수 있다. 따라서 운영체제가 불안정하면 모든 작업이 불안할 수 밖에 없다. 운영체제가 불안하면 그 피해가 고스란히 사용자에게 돌아가기 때문에 운영체제는 안정성이 담보되어야 한다. 이 목표는 '자원 보호'와 연관된다. 사용자와 응용 프로그램의 안전 문제와 하드웨어적인 보안 문제를 처리할 수 있어야 하며, 시스템에 문제가 발생했을 때 이전으로 복구하는 결함 포용(fault tolerant) 기능을 수행해야 한다.

• 확장성
  운영체제는 다양한 시스템 자원을 추가하거나 제거하기가 편리해야 한다. 즉 확장성이 좋아야 한다. 이는 운영체제의 역할 중 '하드웨어 인터페이스 제공'과 연관되고, 운영체제는 하드웨어의 종류에 상관없이 꽂으면 바로 실행할 수 있는 플러그 앤드 플레이(plug & play) 기능을 제공해야 한다. 또한 하드웨어 제작자의 편리성도 고려해야 한다.

• 편리성
  사용자가 편리하게 작업할 수 있는 환경을 제공하는 것 또한 운영체제의 목표이다. 이는 운영체제의 역할 중 '사용자 인터페이스 제공'과 연관된다. (사실 운영체제의 입장에서는 효율성만 높이려면 응용 프로그램이나 사용자에게 제약을 가하면 된다.)

운영체제의 역사

운영체제의 역사를 훑어보는 것은 운영체제를 이해하는 좋은 방법이며, 나아가 오늘날의 IT환경을 이해하는 밑거름이 된다.

• 초창기 컴퓨터(1940년대)
• 일괄작업 시스템(1950년대)

일괄작업 시스템: 모든 작업을 한꺼번에 처리해야 하고 프로그래밍 실행 중간에 사용자가 데이터를 입력하거나 수정하는 것이 불가능하다. 일괄처리 시스템이라고 부르기도 한다.

• 대화형 시스템(1960년대 초반)
• 시분할 시스템

시분할 시스템(time sharing system): 여러 작업을 조금씩 처리하여 작업이 동시에 이루어지는 것처럼 보이게 하는 것. 이때 잘게 나뉜 시간 한 조각을 타임 슬라이스 또는 타임 퀀텀이라고 한다. 오늘날의 컴퓨터에는 대부분 시분할 시스템이 사용된다.

• 분산 시스템(1970년대 후반)

  네트워크 통신 TCP/IP 프로토콜은 이 시기에 만들어졌다.

분산 시스템: 네트워크상에 분산되어 있는 여러 컴퓨터로 작업을 처리하고 그 결과를 상호 교환하도록 구성한 시스템이다.

• 클라이언트/서버 시스템(1990년대~현재)
  분산 시스템은 시스템에 참가하는 모든 컴퓨터가 동일한 지위이기 때문에 컴퓨터가 고장 나거나 추가되면 작업을 분배하고 결과를 모으기가 쉽지 않다. 클라이언트/서버 시스템(client/system)은 이러한 문제점을 해결하는 기술로, 모든 컴퓨터의 지위가 동일한 분산 시스템과 달리 작업을 요청하는 클라이언트와 거기에 응답하여 요청받은 작업을 처리하는 서버의 이중구조로 나뉜다.

데몬: 클라이언트/서버 시스템에서는 서버가 멈추지 않고 계속 작동하여 클라이언트의 요청을 처리해야 하는데, 이렇게 멈추지 않고 계속 작동하는 프로그램을 데몬(daemon)이라고 한다. 보통은 데몬을 가진 컴퓨터를 서버라고 부르며, 웹 데몬이 설치된 컴퓨터는 웹 서버, FTP 데몬이 설치된 컴퓨터는 FTP 서버, 이메일 데몬이 설치된 컴퓨터는 이메일 서버라고 한다. 웹 데몬의 역할을 하는 프로그램으로는 아파치 톰캣(Apache Tomcat), IIS(Internet Information Service) 등이 있다.

• P2P시스템(2000년대 초반~현재)

서버의 부하를 줄일 수 있는 시스템으로 P2P(Peer-to-Peer System)이 만들어졌다. peer는 말단 노드, 즉 사용자의 컴퓨터를 가리키며, P2P는 서버를 거치지 않고 사용자와 사용자를 직접 연결한다는 의미이다. P2P 시스템에서는 서버가 파일 검색만 맡고 사용자 간에 파일 전송이 이루어지기 때문에 서버의 부하가 적다는 것이 장점이다.

• 기타 컴퓨팅 환경(2000년대 초반~현재)
  2000년대 초반에는 P2P 컴퓨팅 환경과 더불어 그리드 컴퓨팅, 클라우드 컴퓨팅, 사물 인터넷 등의 새로운 컴퓨팅 환경이 탄생했다.

그리드 컴퓨팅: 필요한 컴퓨팅 자원을 구매하여 사용하는 컴퓨팅 환경

클라우드 컴퓨팅: 언제 어디서나 응용 프로그램과 데이터를 자유롭게 사용할 수 있는 컴퓨팅 환경으로 그리드 컴퓨팅과 SaaS를 합쳐놓은 형태이다. 하드웨어를 포함한 시스템이 구름에 가려진 것처럼 사용자에게 보이지 않는 컴퓨팅 환경이라는 의미에서 클라우드라는 명칭이 붙게 되었다.

사물인터넷: 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술이다. 인터넷으로 연결된 사물들이 데이터를 주고받아 스스로 분석하고 학습한 정보를 사용자에게 제공하거나 새로운 서비스를 창출하는 사물 인터넷은 인공지능, 로봇 공학, 무인 운송 수단, 3D 인쇄, 나노 기술과 더불어 4차 산업혁명을 이끄는 기술이다.

운영체제의 구조

커널과 인터페이스

| 커널(kernel)은 프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리와 같은 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 것이다. 운영체제의 성능은 커널이 좌우한다.

운영체제는 크게 두 부분으로 나뉜다. 사용자와 응용프로그램에 인접하여 커널에 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자와 응용 프로그램에 돌려주는 인터페이스 그리고 운영체제의 핵심 기능을 모아놓은 커널이다.

운영체제는 커널과 인터페이스를 분리하여, 같은 커널을 사용하더라도 다른 인터페이스를 가진 형태로 제작할 수 있다. 같은 커널이라도 다른 인터페이스가 장착되면 사용자에게는 다른 운영체제처럼 보인다.

시스템 호출과 디바이스 드라이버

시스템 호출은 커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스다. 커널은 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단한다. 따라서 자원을 이용하려면 시스템 호출이라는 인터페이스를 이용하여 접근해야 한다.

• 시스템 호출은 커널이 제공하는 시스템 관련 서비스를 모아놓은 것이며 함수 형태로 제공된다.
• 운영체제는 커널이 제공하는 서비스를 시스템 호출로 제한하고 다른 방법으로 커널에 들어오지 못하게 막음으로써 컴퓨터 자원을 보호한다.
• 시스템 호출은 커널이 제공하는 서비스를 이용하기 위한 인터페이스이며, 사용자가 자발적으로 커널 영역에 진입할 수 있는 유일한 수단이다.

드라이버는 커널과 하드웨어의 인터페이스 역할을 한다. 커널은 입출력의 기본적인 부분만 제작하고, 하드웨어의 특성을 반영한 소프트웨어를 하드웨어 제작자에게 받아 커널이 실행될 때 함께 실행되도록 한다. 이때 하드웨어 제작자가 만든 소프트웨어를 디바이스 드라이버라고 부른다.

마우스, 키보드와 같이 복잡하지 않은 디바이스 드라이버는 커널에 포함되어 있어 컴퓨터에 꽂기만 하면 작동되지만 그래픽카드, 프린터와 같이 크기가 크고 복잡한 디바이스 드라이버는 사용자가 직접 설치해야 한다.

커널의 구성

운영체제의 핵심 기능을 모아놓은 커널이 주로 하는 일은 프로세스 관리, 메모리 관리, 파일 시스템 관리, 입출력 관리, 프로세스 간 통신 관리 등이다.

커널의 핵심 기능은 유기적으로 복잡하게 얽혀 있다. 커널은 이러한 기능을 어떻게 구현하는가에 따라 단일형, 계층형, 마이크로 구조 커널로 구분된다.

단일형 구조 커널

단일형 구조 커널은 초창기의 운영체제 구조로, 커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈들이 구분 없이 하나로 구성되어 있다.

• 장점 : 모듈이 거의 분리되지 않았기 때문에 모듈 간의 통신비용이 줄어들어 효율적인 운영이 가능하다.
• 단점 : 모든 모듈이 하나로 묶여있기 때문에 버그나 오류 처리가 어렵다. 운영체제의 여러 기능이 서로 연결되어 있어 상호 의존성이 높아 기능상의 작은 결함이 시스템 전체로 확산될 수 있다. 다양한 환경의 시스템에 적용하기 어렵다. 여러 종류의 컴퓨터에 이식하려면 수정이 필요한데 단일형 구조에서는 수정이 어렵기 때문에 이식성이 낮다. 현대의 운영체제는 매우 크고 복잡하기 때문에 완전 단일형 구조의 운영체제를 구현하기가 어렵다.

계층형 구조 커널

계층형 구조 커널은 단일형 구조 커널이 발전된 형태로, 비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어서 하나의 계층으로 만들고 계층 간의 통신을 통해 운영체제를 구현하는 방식이다.

비슷한 기능을 모아 모듈화했기 때문에 단일형 구조보다 버그나 오류를 쉽게 처리할 수 있다. 오류가 발생했을 때 전체 커널을 고치는 것이 아니라 해당 계층만 따로 수정하면 되기 때문에 디버깅하기도 쉽다. MS의 윈도우를 비롯해 오늘날의 운영체제는 대부분 이 구조로 이루어져 있다.

마이크로 구조 커널

계층형 구조 커널의 운영체제는 다양한 하드웨어와 사용자의 요구를 수용하기 위해 계속 계층과 기능을 추가했다. 그래서 커널의 크기가 계속 커지고 필요한 하드웨어의 용량이 늘어났으며, 커널 소스가 방대해짐에 따라 오류를 잡기도 어려워졌다. 이러한 계층형 구조의 접근 방식과 반대로 개발된 커널이 마이크로 구조(micro architecture) 커널이다.

마이크로 구조 커널 운영체제는 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스 간 통신 관리 등 가장 기본적인 기능만 제공한다. 커널의 구조를 살펴보면 다른 커널에 비해 운영체제의 많은 부분이 사용자 영역에 구현되어 있다.

커널은 메모리 관리와 프로세스 간의 동기화 서비스를 제공하며, 메모리 관리자와 동기화 모듈은 프로세스 간 통신 모듈로 연결되어 있따. 그러므로 각 모듈은 세분화되어 존재하고 모듈 간의 정보 교환은 프로세스 간 통신을 이용하여 이루어진다.

마이크로 구조에서 각 모듈은 독립적으로 작동하기 때문에 하나의 모듈이 실패하더라도 전체 운영체제가 멈추지 않는다. 또한 많은 컴퓨터에 이식하기 쉽고 커널이 가벼워 CPU 용량이 작은 시스템에도 적용이 가능하다. (이 구조를 사용하는 대표적인 운영체제인 마하(Mach)는 애플의 PC 운영체제인 OS X와 모바일 운영체제인 iOS의 커널로 사용되어 유명하다)

가상 머신

C언어는 어셈블리어 같은 저급 언어의 기능을 가지고 있어 시스템 프로그래밍 언어로 적합하며, C 언어로 만든 대표적인 운영체제는 유닉스이다. 그런데 C언어는 윈도우처럼 유닉스와 다른 커널을 가진 운영체제와의 호환성이 떨어진다. 즉, 한쪽에서 만든 소스코드가 다른 운영체제에서는 작동하지 않는다는 의미이다.

이러한 호환성 문제를 해결한 언어가 바로 자바이다. 자바가 작동하는 원리는 매우 간단하다. 운영체제 위에 가상머신(virtual machine)을 만들고 그 위에서 응용 프로그램이 작동하게 하는 것이다.

가상머신은 운영체제와 응용 프로그램 사이에서 작동하는 프로그램으로, 가상머신을 설치하면 응용 프로그램이 모두 동일한 환경에서 작동하는 것처럼 보인다. 따라서 개발자가 하나의 코드만 만들면 여러 운영체제에서 똑같이 실행할 수 있다. (자바의 경우 JVM)