운영체제 OS

우리의 일상생활에서 컴퓨터는 더 이상 생소한 기기가 아닙니다. 또한 스마트폰인 아이폰이나 갤럭시 같은 모바일 기기도 우리 생활의 일부가 되었습니다. 이런 기기들을 사용하며 앱을 설치하거나, 파일을 관리하고, 인터넷을 통해 정보를 찾는 등 다양한 활동을 수행하게 됩니다. 그런데 이렇게 사용자와 기기 사이의 상호 작용이 원활하게 이루어지려면, 무엇이 필요할까요?

단순히 하드웨어만 존재한다면, 우리는 기계어를 통해 직접 기기와 소통해야 합니다. 하지만 이는 매우 복잡하고 어렵습니다. 그래서 이를 보다 쉽게 할 수 있도록 도와주는 것이 바로 운영체제(Operating System, OS)입니다.

운영체제는 사용자와 컴퓨터 하드웨어 사이의 중개자 역할을 하여, 우리가 컴퓨터를 더 쉽고 효과적으로 사용할 수 있게 도와줍니다

운영체제 OS 란

운영체제(Operating System, OS)는 컴퓨터 시스템의 핵심적인 소프트웨어로서, 컴퓨터 하드웨어와 사용자 사이의 중개자 역할을 수행하며, 컴퓨터의 하드웨어 자원을 효율적으로 관리합니다. 그림 그리기, 문서 편집, 인터넷 브라우징 등 사용자가 컴퓨터를 통해 다양한 작업을 수행할 수 있도록 지원하는 것이 주 목표입니다.

운영체제는 기본적으로 컴퓨터 시스템의 자원들, 예를 들어 CPU, 메모리, 디스크 등을 관리하며, 이들 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 도와줍니다. 이를 통해, 사용자는 컴퓨터의 복잡한 세부 사항을 직접 다루지 않고도, 간단하게 컴퓨터를 이용할 수 있습니다.

또한, 운영체제는 여러 개의 프로그램이 동시에 실행되는 환경을 관리합니다. 각 프로그램이 공정하게 CPU 시간을 할당받을 수 있도록 스케줄링하고, 필요한 메모리를 적절하게 할당해주며, 프로그램 간에 데이터를 주고받을 수 있도록 통신 기능을 제공합니다.

여기에 더하여, 운영체제는 시스템의 보안도 관리합니다. 사용자의 권한을 확인하여 적절한 접근 권한을 부여하고, 악성 코드로부터 시스템을 보호하며, 데이터의 분실이나 변조를 방지하는 등의 역할을 수행합니다.

결국, 운영체제는 하드웨어를 사용자에게 추상화된 환경으로 제공함으로써, 사용자가 직접 하드웨어를 다루는 복잡함 없이 편리하게 컴퓨터를 사용할 수 있게 해주는 중추적인 역할을 수행합니다. 따라서 운영체제는 컴퓨터 시스템에서 가장 기본적이면서도 중요한 소프트웨어라고 할 수 있습니다.

운영체제의 기본 구성 요소

운영체제는 크게 Kernel(커널), Shell(쉘) 그리고 Utility(유틸리티)로 구성된다고 볼 수 있습니다.

참고: 운영체제의 구성 요소는 운영체제의 종류와 기능에 따라 달라질 수 있습니다. 예를들어, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공하는 운영체제는 GUI 구성 요소를 포함합니다.

Kernel (커널)

Kernel은 운영체제의 핵심 부분으로, 컴퓨터의 하드웨어와 소프트웨어를 연결하고 관리하는 역할을 합니다. Kernel은 다음과 같은 기능을 수행합니다.

프로세스 관리: Kernel은 프로세스를 생성, 관리, 종료하는 역할을 합니다. 프로세스는 실행 중인 프로그램을 나타내며, Kernel은 이들 프로세스 간의 자원 할당 및 우선순위를 조절하여 시스템의 효율성을 유지합니다.
메모리 관리: 메모리 관리는 컴퓨터의 주기억장치(RAM)를 효율적으로 관리하는 것을 의미합니다. Kernel은 프로세스에 필요한 메모리를 할당하고 해제하여 시스템 자원의 효율적인 사용을 도모합니다.
입출력 관리: Kernel은 컴퓨터와 외부 장치 간의 데이터 전송을 관리합니다. 이는 입출력 장치와의 효율적인 통신을 위해 데이터를 버퍼링하고 조절하는 역할을 수행합니다. 입출력 작업의 우선순위를 관리하여 시스템의 안정성을 유지합니다.
파일 시스템 관리: 파일 시스템 관리는 컴퓨터에서 데이터를 영구적으로 저장하고 관리하는 역할을 합니다. Kernel은 파일을 생성, 읽기, 쓰기, 삭제하는 작업을 관리하며 파일에 대한 접근 권한 및 보안을 제어합니다.
시스템 콜: Kernel은 응용 프로그램이 하드웨어 및 다양한 기능에 접근할 수 있도록 시스템 콜(System Call)을 제공합니다. 시스템 콜은 사용자 공간과 Kernel 간의 인터페이스 역할을 하며, 응용 프로그램이 운영체제 기능을 호출할 수 있게 합니다.
인터럽트 처리: Kernel은 하드웨어나 소프트웨어에서 발생하는 인터럽트를 처리합니다. 이는 예기치 못한 상황에 대응하여 적절한 조치를 취하고, 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 합니다.

Shell (쉘)

Shell은 사용자와 운영체제 사이의 인터페이스 역할을 하는 프로그램입니다. 사용자의 명령을 해석하고 Kernel에 전달하며, Kernel의 응답을 사용자에게 다시 전달합니다. Shell은 다음과 같은 기능을 수행합니다. Shell 더 알아보기(링크 업데이트 예정)

사용자의 명령 해석: Shell은 사용자로부터 입력받은 명령어를 해석하고 해당 명령을 이해합니다. 이 과정에서 Shell이 제공하는 명령어 해석기가 사용되며, 사용자의 명령어를 이해 가능한 형태로 변환합니다.
Kernel에 명령 전달: 해석된 명령은 Shell이 운영체제의 Kernel에 전달됩니다. Kernel은 이 명령을 받아들여 적절한 시스템 콜(System Call)이나 다른 필요한 동작을 수행합니다.
Kernel의 응답 전달: Kernel이 명령을 수행한 결과 또는 응답은 다시 Shell로 전달됩니다. Shell은 이를 사용자에게 적절한 형태로 표시하거나 필요한 추가 조치를 취합니다.

Utility (유틸리티)

Utility는 운영체제에서 제공하는 다양한 도구 프로그램입니다. 파일 관리, 디스크 관리, 네트워크 관리, 보안 관리 등 다양한 작업을 수행할 수 있습니다. Utility는 다음과 같은 기능을 수행합니다.

파일 관리: 파일 생성, 수정, 삭제, 이동, 검색 등의 작업을 수행합니다. 파일 유틸리티는 사용자가 파일을 효율적으로 조작하고 관리할 수 있도록 도와줍니다.
디스크 관리: 디스크 유틸리티는 디스크의 포맷, 파티션 생성, 디스크 공간 관리, 디스크 상태 확인 등의 작업을 수행합니다. 이를 통해 데이터를 보다 안전하게 저장하고 관리할 수 있습니다.
네트워크 관리: 네트워크 유틸리티는 네트워크 연결 설정, 네트워크 상태 확인, 데이터 전송 및 수신 등의 작업을 지원합니다. 시스템이 네트워크와 원활하게 통신하도록 도와줍니다.
보안 관리: 보안 유틸리티는 시스템의 보안 정책을 설정하고 관리합니다. 사용자 권한, 암호 정책, 방화벽 설정 등을 포함하여 시스템의 안전성을 유지합니다.
성능 모니터링: 유틸리티는 시스템의 성능을 모니터링하고 분석하는 기능을 제공합니다. CPU 사용률, 메모리 사용량, 네트워크 트래픽 등의 정보를 제공하여 시스템 성능에 대한 통찰력을 제공합니다.
시스템 유지보수: 유틸리티는 시스템의 정기적인 유지보수를 지원합니다. 이는 파일 정리, 불필요한 데이터 제거, 시스템 로그 분석 등을 포함합니다.

운영체제의 역할

운영체제는 시스템의 안정성과 성능을 유지하고 사용자 및 응용 프로그램에 편리한 환경을 제공합니다.

자원 관리

운영체제의 주요 역할 중 하나는 컴퓨터의 물리적인 자원을 효율적으로 관리하는 것입니다. 이는 CPU, 메모리, 디스크, 네트워크 카드 등의 자원을 관리하며, 각 자원이 효과적으로 할당되고 사용되도록 합니다. 예를 들어, 여러 응용 프로그램이 동시에 실행될 때 CPU의 시간을 적절히 분배하여 공평하게 자원을 사용하게 합니다.

CPU 관리: 다수의 프로세스가 경쟁적으로 CPU를 사용하려고 할 때, 운영체제는 CPU 시간을 적절히 분배하여 각 프로세스가 공평하게 자원을 이용할 수 있도록 합니다. 이는 CPU 스케줄링 알고리즘을 사용하여 달성됩니다.
메모리 관리: 운영체제는 메모리를 효율적으로 관리하여 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있도록 합니다. 이는 가상 메모리, 페이지 교체 알고리즘 등을 사용하여 물리적인 메모리의 한계를 극복하고 각 프로세스에 필요한 메모리를 할당합니다.
디스크 관리: 디스크는 데이터의 영구 저장을 담당하며, 파일 시스템을 통해 파일과 디렉터리를 효율적으로 관리합니다. 디스크 관리는 데이터의 저장과 검색 속도를 최적화하고 디스크 공간을 효율적으로 사용하는 데에 중점을 둡니다.
네트워크 자원 관리: 네트워크 카드와 관련된 자원은 데이터의 송수신을 담당하며, 운영체제는 네트워크 자원을 효율적으로 활용하여 네트워크 통신을 지원합니다. 이는 프로토콜, 라우팅, 세션 관리 등을 통해 이루어집니다.
입출력 관리: 운영체제는 다양한 입출력 장치와의 효율적인 통신을 지원합니다. 이는 입출력 버퍼링, 인터럽트 처리, 입출력 스케줄링 등을 통해 이루어지며, 사용자 및 응용 프로그램이 입출력 자원을 효과적으로 활용할 수 있도록 합니다.

프로세스 관리

프로세스는 실행 중인 프로그램을 나타내며, 운영체제는 이러한 프로세스를 생성, 일시 중지, 재개, 종료하는 등의 작업을 수행합니다. CPU 스케줄링을 통해 여러 프로세스 간에 CPU를 효과적으로 공유하고, 프로세스 간의 통신과 동기화를 관리하여 시스템이 안정적으로 동작할 수 있도록 합니다.

프로세스 생성: 새로운 프로세스가 시작될 때, 운영체제는 해당 프로세스의 실행을 위한 자원을 할당하고 초기화합니다. 프로세스 생성은 주로 프로그램을 실행할 때 발생하며, 이 과정에서 프로세스의 주소 공간, 스택, 힙 등이 초기화됩니다.
CPU 스케줄링: 여러 프로세스가 동시에 실행될 때, CPU 스케줄링이 사용됩니다. 운영체제는 각 프로세스에 CPU를 할당하고, 프로세스 간에 적절히 전환하여 모든 프로세스가 공평하게 실행되도록 관리합니다.
프로세스 일시 중지 및 재개: 프로세스는 일시 중지되거나 중단될 수 있습니다. 이는 사용자의 입력, 외부 이벤트, 혹은 다른 프로세스와의 통신을 기다리는 동안 발생할 수 있습니다. 일시 중지된 프로세스는 나중에 다시 재개됩니다.
프로세스 종료: 프로세스가 작업을 완료하거나 비정상적인 상황에서는 운영체제가 해당 프로세스를 종료시킵니다. 이때 사용된 자원들은 해제되고 시스템의 안정성을 유지하기 위해 후속 조치가 이루어집니다.
프로세스 간 통신과 동기화: 다수의 프로세스가 협력하거나 통신해야 하는 경우, 운영체제는 이들 간의 효과적인 통신을 지원합니다. 또한, 공유 자원에 대한 접근을 조절하여 동기화를 유지하고 데이터의 일관성을 보장합니다.

메모리 관리

메모리 관리는 시스템 내의 메모리를 효율적으로 할당하고 사용하는 것을 의미합니다. 운영체제는 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있도록 메모리를 분할하고 할당합니다. 또한 가상 메모리와 같은 기술을 사용하여 물리적인 메모리의 한계를 극복하고, 프로세스 간의 메모리 보호를 제공합니다.

메모리 할당: 여러 프로세스가 동시에 실행되기 위해서는 각 프로세스에 충분한 메모리 공간을 할당해야 합니다. 운영체제는 메모리를 적절한 크기의 블록으로 나누고, 각 프로세스에 필요한 양의 메모리를 동적으로 할당합니다.
가상 메모리: 운영체제는 가상 메모리 기술을 사용하여 물리적인 메모리의 제약을 극복합니다. 가상 메모리는 실제 물리적인 메모리보다 큰 공간을 제공하고, 필요한 부분만 물리적인 메모리에 로딩하는 방식으로 동작합니다. 이를 통해 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있습니다.
메모리 보호: 각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지며, 한 프로세스의 메모리에 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 보호합니다. 이는 운영체제가 메모리 주소 공간을 각 프로세스에게 독립적으로 할당하고, 접근 권한을 효과적으로 관리함으로써 달성됩니다.
메모리 회수: 프로세스가 종료되거나 메모리를 더 이상 사용하지 않을 때, 해당 메모리를 회수하여 다른 프로세스에게 할당할 수 있도록 합니다. 이는 운영체제가 더 이상 필요하지 않은 메모리 블록을 식별하고 해제하는 과정을 포함합니다.
페이지 교체: 가상 메모리를 사용할 때, 실제 메모리에 모든 페이지를 로딩할 수 없는 경우가 발생할 수 있습니다. 이때 운영체제는 페이지 교체 알고리즘을 사용하여 필요한 페이지만 메모리에 로딩하고, 필요 없는 페이지는 디스크에 스왑합니다.

파일 시스템 관리

파일 시스템 관리는 파일과 디렉터리를 생성, 읽기, 쓰기, 삭제하는 등의 파일 조작을 관리합니다. 운영체제는 파일 시스템을 통해 데이터를 영구적으로 저장하고 관리하며, 파일의 보안과 접근 권한을 관리합니다.

파일 및 디렉터리 생성: 운영체제는 사용자 또는 응용 프로그램의 요청에 따라 새로운 파일이나 디렉터리를 생성합니다. 파일 시스템은 각 파일과 디렉터리에 대한 메타데이터를 생성하고 유지합니다.
파일 읽기 및 쓰기: 사용자 또는 응용 프로그램은 파일 시스템을 통해 파일을 읽거나 쓸 수 있습니다. 파일 시스템은 요청된 데이터를 읽어오거나 쓰기 작업을 수행하며, 파일의 논리적 구조를 유지합니다.
파일 삭제: 불필요한 파일은 삭제될 수 있습니다. 이때 파일 시스템은 해당 파일의 메타데이터를 삭제하고, 사용된 디스크 공간을 회수하여 다른 용도로 활용할 수 있도록 합니다.
파일 시스템의 계층 구조: 파일 시스템은 디렉터리를 통해 계층 구조를 가집니다. 디렉터리는 파일을 그룹화하고 조직화하여 사용자가 파일을 쉽게 찾고 관리할 수 있도록 합니다.
보안 및 접근 권한 관리: 파일 시스템은 각 파일과 디렉터리에 대한 보안을 유지하고, 사용자 또는 그룹에 대한 접근 권한을 관리합니다. 이를 통해 민감한 정보나 중요한 파일에 대한 무단 접근을 방지합니다.
파일 시스템의 일관성 유지: 파일 시스템은 여러 사용자 및 프로세스가 동시에 파일을 조작할 때 일관성을 유지해야 합니다. 이를 위해 파일 시스템은 트랜잭션 롤백과 같은 메커니즘을 사용하여 데이터 무결성을 보장합니다.

입출력 관리

입출력 관리는 입출력 장치와의 효율적인 통신을 지원하여 사용자 및 응용 프로그램이 입출력 장치를 사용할 수 있도록 합니다. 이는 데이터를 버퍼링하고 조절하여 입출력 작업이 효율적으로 이루어지도록 하며, 입출력 작업의 우선순위를 관리하여 시스템의 안정성을 유지합니다.

데이터 버퍼링 및 조절: 입출력 관리는 데이터를 버퍼링하여 입출력 장치와의 효율적인 통신을 지원합니다. 데이터가 임시로 저장되는 버퍼를 활용하여 입출력 속도의 차이를 조절하고, 데이터의 일관성을 유지합니다.
입출력 작업 우선순위 관리: 다양한 입출력 작업이 동시에 발생할 수 있습니다. 입출력 관리는 이러한 작업들의 우선순위를 관리하여 중요한 작업이나 긴급한 작업이 우선적으로 처리되도록 합니다.
디바이스 드라이버 관리: 각각의 입출력 장치는 디바이스 드라이버를 통해 제어됩니다. 입출력 관리는 이러한 디바이스 드라이버를 관리하고, 각 장치의 특성에 맞게 효율적으로 작동하도록 조절합니다.
인터럽트 처리: 입출력 작업 중에는 외부 이벤트나 상태 변화에 대응하기 위해 인터럽트가 발생할 수 있습니다. 입출력 관리는 이러한 인터럽트를 적절히 처리하여 예기치 못한 상황에 대응하고 시스템의 안정성을 유지합니다.
입출력 스케줄링: 여러 입출력 작업이 동시에 발생할 경우, 입출력 스케줄링이 사용됩니다. 이는 각 작업의 우선순위나 중요도에 따라 작업을 조절하여 시스템의 자원을 효율적으로 활용합니다.

운영체제의 종류

운영체제는 크게 데스크톱, 서버, 임베디드, 실시간, 분산 운영체제 등으로 분류될 수 있습니다. 다양한 종류의 운영체제는 각각의 사용 환경과 요구 사항에 맞게 설계되고 구현되어, 효율적인 컴퓨터 시스템 운용을 가능하게 합니다.

데스크톱 운영체제: 개인 사용자를 위한 운영체제로, Windows, macOS, Linux 등이 있습니다.
서버 운영체제: 서버 컴퓨터를 위한 운영체제로, Windows Server, Linux Server 등이 있습니다.
임베디드 운영체제: 특정 기기에 내장된 컴퓨터를 위한 운영체제로, Android, iOS, Tizen 등이 있습니다.
실시간 운영체제: 실시간 시스템을 위한 운영체제로, 실시간 응답을 보장해야 하는 임베디드 시스템이나 산업 제어 시스템 등에 사용됩니다.
분산 운영체제: 여러 대의 컴퓨터가 네트워크로 연결되어 하나의 시스템처럼 동작하도록 하는 운영체제입니다.