1. Lecture #2 Operating Systems Overview 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

2. 강의 내용 • 운영체제의 개요 • 운영체제의 발전 역사 1) 직렬 처리 시스템 2) 단순 일괄처리 시스템 3) 다중 프로그램 일괄처리 시스템 4) 시분할 시스템 • 현대 운영체제의 특징 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

3. Operating System • 응용 프로그램의 실행을 제어하는 프로그램 • OS는 사용자의 요구에 맞추어 응용 프로그램의 실행과 종료를 제어한다 • OS는 다수의 응용 프로그램 사이에 효율적인 자원 공유를 제어한다 • 사용자와 하드웨어 사이의 인터페이스 • 응용 프로그램에 제공하는 기능에 대해 하드웨어의 상세한 제어 기능을 감추다 (Masking) • 예: 하드디스크 입출력, 프린터 출력 등 • OS가 하드웨어의 세부적인 제어를 수행하여야 한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

4. End User Programmer Application Programs Utilities Operating- System Designer Operating-System Computer Hardware 컴퓨터 시스템의 계층적 구조 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

5. OS Services(1) • 프로그램 개발 환경 제공 • editors, compilers, linkers, and debuggers • 프로그램 실행 • loading in memory, I/O and file initialization • I/O 와 파일에 대한 접근 • 외부 장치에 대한 입출력 및 파일 입출력 • 시스템 접근 • 시스템 자원 및 데이터에 대한 접근 보호 • 시스템 자원 접근 충돌 해결 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

6. 에러 검출 내부 및 외부 하드웨어 에러 memory error device failure 소프트웨어 에러 arithmetic overflow access forbidden memory locations 운영체제 에러 에러 해결 간단한 에러 리포팅 오퍼레이션의 재시도 응용 프로그램 중단 OS Services(2) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

7. OS Services(3) • 계정 관리 • 시스템 자원 사용에 대한 통계 수집 • 시스템 성능 모니터링 (eg: response time) • 시스템 튜닝 자료 수집 • 과금 자료 수집 (on multiuser systems) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

8. 운영체제의 발전 • OS는 하드웨어의 기능향상 및 새로운 종류의 하드웨어을 적절히 이용하여야 한다 • Character vs graphic terminals • paging hardware 등 • OS는 새로운 서비스를 제공하여야 한다 • 예: internet support 등 • OS의 설계 및 구현 기술에 따른 변화의 필요성 • modular construction with clean interfaces • object oriented methodology 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

9. 운영체제의 발전 역사 • 직렬 처리 시스템(Serial Processing) • 단순 일괄처리 시스템(Simple Batch Processing) • 다중 프로그램 일괄 처리 시스템 (Multiprogrammed Batch Processing) • 시분할 시스템(Time-Sharing Systems) • Modern Operating Systems: • 병렬 시스템(Parallel Systems) : SMP • 분산 시스템(Distributed Systems) • 실시간 시스템(Real-Time Systems) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

10. 직렬 처리 시스템(Serial Processing) • 가장 초창기 컴퓨터 시스템 환경 (late 1940s~mid 1950s) • 프로그래머가 직접 컴퓨터 하드웨어를 제어 • 운영체제가 없다 • 주요 문제점: • Scheduling: 비효율적인 job scheduling • Setup time: 하나의 job을 수행하기 위한 setup time이 상당히 길다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

11. 단순 일괄 처리 시스템 • 최초의 운영 체제 (mid-1950s) • 동작 방식: • 사용자는 카드 등으로 작성된 작업(job)을 컴퓨터 운영자에 제출한다 • 컴퓨터 운영자는 제출된 사용자 작업을 묶어 일괄작업(batch)을 컴퓨터에 입력한다 • ‘모니터(Monitor)’ 프로그램이 일괄작업의 각 작업을 순서대로 실행한다 • 상주 모니터(Resident monitor)는 항상 실행되기 위해 주기억장치에 상주한다 • 모니터 유틸리티는 필요할 때에 주기억장치에 올라온다(loading) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

12. Simple Batch System Operation 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

13. 모니터(Monitor) • 모니터는 입력장치(카드판독기)에서 각 작업(사용자 프로그램)을하나씩 읽어 들여 주기억장치에 저장한다(loading) • 모니터 명령어에 의해 사용자 프로그램 실행이 시작된다 • 사용자 프로그램은 다음 상황 까지 실행된다: • end-of-program 명령어 • 에러 발생 • 하나의 사용자 프로그램이 종료되면 다시 모니터가 실행된다. 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

14. Job Control Language (JCL) • 모니터에게 작업 실행과 관련된 명령을 주기 위한 언어 • what compiler to use • what data to use • 작업 포맷의 예: ----------------->> • ‘$FTN’는 컴파일러을 불러 들여 프로그램 번역을 수행 하도록 한다 • ‘$LOAD’는 번역된 객체 코드를 주기억장치에 올린다(loading) • ‘$RUN’는 사용자 프로그램을 실행한다 $JOB $FTN ... FORTRAN program ... $LOAD $RUN ... Data ... $END 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

15. 일괄 처리 운영체제 • CPU 및 다른 컴퓨터 자원의 유휴시간이 크다 • 사용자 프로그램이 입출력을 수행하는 경우에 CPU는 입출력 작업이 종료될 때까지 idle 상태에 있는다 • 사용자 프로그램과 모니터 프로그램을 교대로 실행한다 • 주기억장치 상의 여러 프로그램을 효율적인 교대 수행하기 위해서는 하드웨어 지원을 필요로 한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

16. 하드웨어 기능 향상(1) • 메모리 보호 • 사용자 프로그램이 시스템 영역의 메모리에 접근할 수 없도록 메모리 보호 기능 지원 • 타이머 • 하나의 작업이 시스템을 독점하는 것을 막는다 • 주어진 시간이 지나면 인터럽트를 발생한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

17. 하드웨어 기능 향상(2) • 특권 명령어 • 두개의 CPU 명령어 모드 지원 • 사용자 모드 • 모니터 모드(또는 슈퍼바이저(Supervisor) 모드) • 모니터에 의해서만 수행되는 명령어 • 사용자 프로그램이 실행하면 인터럽트 발생 • 인터럽트 • 사용자 프로그램과 모니터 사이의 제어권 전환을 융통성있게 할 수 있도록 지원 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

18. 다중 프로그램 일괄처리 시스템(1) • I/O 동작의 수행속도는 연산 명령어에 비하여 상당히 느리다 • I/O 명령어를 가진 프로그램은 대부분의 시간을 입출력을 기다리는데 사용한다 • 따라서 주기억장치에 하나의 프로그램만 있는 경우(uniprogramming)에는 CPU의 효율성이 떨어진다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

19. Monitor 주기억장치 Program A Program B Program C 다중 프로그램 일괄처리 시스템(2) • 만약 주기억장치에 여러 개의 프로그램이 있는 경우, 하나의 프로그램이 입출력 작업을 기다리는 동안 CPU 는 다른 프로그램을 실행할 수 있다. • multitasking (multiprogramming) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

20. 다중 프로그램 일괄처리 시스템(3) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

21. 다중 프로그래밍 요구 사항 • Hardware support: • I/O interrupts and (possibly) DMA • Memory management • Memory protection (data and programs) • Software support from the OS: • Scheduling (which program is to be run next) • To manage resource contention 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

22. 시분할 시스템(Time Sharing Systems)(1) • 다중 프로그램 일괄처리 시스템은 사용자의 대화식 작업을 지원하지 않는다 • 긴 작업 반환 시간(Job Turnaround Time) • 사용자의 반응 시간이 느리기 때문에 일반적으로 분당 2초 정도만이 실제 처리시간으로 이용한다 • 최적의 경우에 분당 30명의 사용자가 시스템을 공유할 수 있다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

23. 시분할 시스템(Time Sharing Systems)(2) • 시분할 시스템은 다수의 대화식 작업을 지원하기 위하여 다중 프로그래밍 방식을 확장한 시스템이다 • 다수의 사용자들이 프로세서 시간을 공유하도록 한다 • Time Slice : 하나의 작업이 프로세서를 점유하는 시간 • 짧은 반응 시간(Respone Time) • 다수의 사용자가 터미널에서 동시에 시스템을 사용할 수 있다(대화식 작업 수행) • 파일 시스템 등이 보호되어야 한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

24. Program A (30 msec) RUN RUN RUN RUN RUN RUN Program B (20 msec) Program C (10 msec) 주기억장치 시분할 시스템(Time Sharing Systems)(3) If Time Slice = 10 msec, Pgm A  Pgm B Pgm C 10 ms 20ms 30 ms 40 ms 50 ms 60ms 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

25. Modern Operating Systems의 특징(1) • 최근에 운영체제에 새로운 기능요소가 지원 되고 있다 • 새로운 하드웨어의 발전 • multiprocessor machines • high-speed networks • faster processors and larger memory • 새로운 소프트웨어 필요성 • multimedia applications • Internet and Web access • Client/Server applications 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

26. Modern Operating Systems의 특징(2) • Microkernel Architecture • Multithreading • Symmetric Multiprocessing • Distributed Systems • Object-Oriented Design 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

27. Microkernel architecture • 커널에서 가장 필수적인 기능만을 지원 • primitive memory management (address space) • Interprocess communication (IPC) • basic scheduling • 다른 OS 서비스는 사용자 모드 프로그램(servers) 으로 제공 • device drivers, file system, virtual memory… • More flexibility, extensibility, portability… • 최근 운영체제는 microkernel 구조를 기반으로 하고 있다(예: Window-NT 등) 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

28. Multithreading • 하나의 프로세스는 동시에 수행 가능한 thread 들의 집합이다 • 직렬적으로 수행할 필요가 없는 task로 이루어지는 응용 프로그램에 가장 유용하다 • 서버 프로그램: 웹서버 프로그램 등 • 하나의 프로세스를 구성하는 thread는 동일한 데이터와 자원을 공유한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

29. Symmetric Multiprocessing (SMP) • 다수의 프로세서를 가진 컴퓨터 • 각 프로세서는 동일한 기능을 가지며 주기억장치와 I/O 장치를 공유한다(symmetric) • 운영체제는 프로세스/쓰레드를 프로세서간에 스케쥴링한다(real parallelism) • Incremental growth • just add another CPU! • Robustness • a single CPU failure does not halt the system, only the performance is reduced 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

30. Example of parallel execution on SMP 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

31. Distributed Systems • 고유의 프로세서와 로컬 메모리를 가진 시스템이 다수 모여 구성된 컴퓨터 시스템 • Loosely-coupled multiprocessor systems • Clustered Systems • 분산 운영체제의 특징: • 자원 공유: 분산파일시스템 등 • 연산속도 향상: 부하분산(load balancing) 등 • 신뢰성(reliability): HA(High Availability) 등 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

32. Object-Oriented Design • 가장 최근에 이루어진 운영체제 기술 혁신 • 객체 지향 설계 원리는 핵심 기능을 가진 작은 커널을 모듈러하게 확장할 수 있도록 지원 • 프로그래머가 시스템의 무결성을 헤치지 않으면서 자신이 원하는 대로 운영체제를 구성할 수 있다 • 분산 도구 및 완전환 형태의 분산운영체제의 개발을 용이하게 한다 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

33. 운영체제 구조(1) • 시스템 호출(System Calls) • 사용자 프로그램과 운영체제 간의 인터페이스 • 표준 라이브러리 함수를 통한 호출 / 어셈블리어 수준에서의 직접 호출 • 시스템 호출 사용 예: 파일 복사 프로그램 • 입력 파일 이름 및 출력 파일 이름에 대한 입출력 • 입력 파일 개방 / 출력 파일 생성 • 파일 읽기 / 파일 쓰기 • 파일 닫기 • 메시지 출력 • 프로그램 종료 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

34. 사용자 프로그램 시스템 호출 운영체제 프로그래머 관점 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

35. 운영체제 구조(2) • 시스템 호출 형태 • 프로세스 제어(Process Control) • 프로세스 생성 및 종료 • 프로세스 적재 및 실행 • 프로세스 속성 설정 및 획득 등 • 파일 조작(File Management) • 파일 생성 및 삭제 • 파일 개방 및 닫기 • 파일 쓰기 및 읽기 • 파일 속성 설정 및 획득 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

36. 운영체제 구조(3) • 시스템 호출 형태(계속) • 장치 조작(Device Management) • 장치 요구 및 해제 • 판독, 기록, 재배치 • 장치 속성 획득 및 설정 • 정보 유지 보수(Information Maintenance) • 시간, 일자 정보 설정 • 시스템 자료 설정 등 • 통신(Communication) • 통신 연결 생성 및 제거 • 자료 송수신 등 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

37. 운영체제 구조(4) • 시스템 프로그램 • 사용자 관점의 운영체제 • 프로그램 개발과 실행 환경 제공 • 시스템 관리 기능 제공 • 파일 조작 기능 제공 • 시스템 호출에 대한 사용자 인터페이스 제공 • 예: 컴파일러, 윈도우 탐색기, 제어판, 프린터 등 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제

38. 운영체제 구조(5) • 계층적 운영체제 구조 • 시스템 디자인 관점에서의 운영체제 구조 • pp. 108, 그림 2.15 • 모듈화(Modularity) • Windows NT 4.0 구조 • pp. 97, 그림 2.13 • UNIX 시스템 구조 • pp. 109, 그림 2.16 신라대학교 컴퓨터공학과 - 운영체제