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Lecture #2
Operating Systems
Overview
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

시스템 호출

운영체제의 구조
Operating System
2
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



Operating System
응용 프로그램에 제공하는 기능에 대해 하드웨어의 상세한
제어 기능을 감추다 (Masking)
예: 하드디스크 입출력, 프린터 출력 등
OS가 하드웨어의 세부적인 제어를 수행하여야 한다
3
End
User
Programmer
Application
Programs
Utilities
OperatingSystem
Designer
Operating-System
Computer Hardware
컴퓨터 시스템의 계층적 구조
Operating System
4
OS Services(1)

프로그램 개발 환경 제공


프로그램 실행


loading in memory, I/O and file initialization
I/O 와 파일에 대한 접근


editors, compilers, linkers, and debuggers
외부 장치에 대한 입출력 및 파일 입출력
시스템 접근

시스템 자원 및 데이터에 대한 접근 보호

시스템 자원 접근 충돌 해결
Operating System
5
OS Services(2)

에러 검출

내부 및 외부 하드웨어 에러



에러 해결



간단한 에러 리포팅
오퍼레이션의 재시도
응용 프로그램 중단
소프트웨어 에러



memory error
device failure

arithmetic overflow
access forbidden
memory locations
운영체제 에러
Operating System
6
OS Services(3)

계정 관리




Operating System
시스템 자원 사용에 대한 통계 수집
시스템 성능 모니터링 (eg: response time)
시스템 튜닝 자료 수집
과금 자료 수집 (on multiuser systems)
7
운영체제의 발전

OS는 하드웨어의 기능향상 및 새로운 종류의
하드웨어을 적절히 이용하여야 한다



OS는 새로운 서비스를 제공하여야 한다


Character vs graphic terminals
paging hardware 등
예: internet support 등
OS의 설계 및 구현 기술에 따른 변화의 필요성


Operating System
modular construction with clean interfaces
object oriented methodology
8
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)

내장형 시스템(Embedded Systems)
Operating System
9
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
Operating System
10
단순 일괄 처리 시스템 (1)


최초의 운영 체제 (mid-1950s)
동작 방식:
1.
2.
3.


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)
Operating System
11
단순 일괄 처리 시스템 (2)

Early batch system




Operating System
bring cards to 1401
read cards to tape
put tape on 7094 which does computing
put tape on 1401 which prints output
12
Start
Wait for Jobs
Load New Job
Execute Job
Yes
Next Job?
No
Simple Batch System Operation
Operating System
13
모니터(Monitor)




14
모니터는 입력장치(카드판독기)에서 각
작업(사용자 프로그램)을 하나씩 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.
Operating System
Job Control Language (JCL) (1)

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
Operating System
$JOB
$FTN
...
FORTRAN
program
...
$LOAD
$RUN
...
Data
...
$END
15
Job Control Language (JCL) (2)

Structure of a typical FMS job – 2nd generation
Operating System
16
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
Operating System
17
하드웨어 기능 향상(1)

메모리 보호


사용자 프로그램이 시스템 영역의 메모리에 접근할 수
없도록 메모리 보호 기능 지원
타이머


Operating System
하나의 작업이 시스템을 독점하는 것을 막는다
주어진 시간이 지나면 인터럽트를 발생한다
18
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

Operating System
사용자 프로그램과 모니터 사이의 제어권 전환을 융통성있게
할 수 있도록 지원
19
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
Operating System
20
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)
Monitor
주기억장치
Program A
Program B
Program C
Operating System
21
다중 프로그램 일괄처리 시스템(3)
Operating System
22
단일 및 다중 프로그래밍 비교 (1)

예제:
Operating System
23
단일 및 다중 프로그래밍 비교 (2)
Operating System
24
단일 및 다중 프로그래밍 비교 (3)
Operating System
25
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
Operating System
26
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
Operating System
27
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
Operating System
28
시분할 시스템(Time Sharing Systems)(3)
If Time Slice = 10 msec,
Program A
(30 msec)
Program B
(20 msec)
Program C
(10 msec)
주기억장치
Operating System
Pgm A

RUN
RUN
RUN
Pgm B
RUN
RUN
Pgm C
RUN
10
ms
20
ms
30
ms
40
ms
50
ms
60
ms
29
Batch Multiprogramming
vs. Time Sharing
Early Example: CTSS

Compatible Time-Sharing System (CTSS)


Developed at MIT as project MAC
Time Slicing:




When control was passed to a user
User program and data loaded
Clock generates interrupts about every 0.2 sec
At each interrupt OS gained control and could assign
processor to another user
CTSS Operation
Problems and Issues

메모리 보호


파일시스템 보호


Multiple jobs in memory must be protected from each
other’s data
File system must be protected so that only authorised
users can access
자원 사용 충돌


Contention for resources must be handled
Printers, storage etc
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
Operating System
34
Modern Operating Systems의 특징(2)

Microkernel Architecture

Multithreading

Symmetric Multiprocessing

Distributed Systems

Embedded Systems

Object-Oriented Design
Operating System
35
Microkernel architecture

커널에서 가장 필수적인 기능만을 지원




다른 OS 서비스는 사용자 모드 프로그램(servers) 으로
제공



primitive memory management (address space)
Interprocess communication (IPC)
basic scheduling
device drivers, file system, virtual memory…
More flexibility, extensibility, portability…
최근 운영체제는 microkernel 구조를 기반으로 하고
있다(예: Window-NT 등)
Operating System
36
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
Operating System
37
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

Operating System
a single CPU failure does not halt the system, only the
performance is reduced
38
Example of parallel execution on SMP
Operating System
39
Distributed Systems

고유의 프로세서와 로컬 메모리를 가진 시스템이 다수
모여 구성된 컴퓨터 시스템



Loosely-coupled multiprocessor systems
Clustered Systems
분산 운영체제의 특징:



Operating System
자원 공유: 분산파일시스템 등
연산속도 향상: 부하분산(load balancing) 등
신뢰성(reliability): HA(High Availability) 등
40
Embedded Systems

작고, 전자 책과 메모 패드와 같은 적은 기능을 수행하는
작은 규모의 컴퓨터




PDA, 이동전화기, 가전장치 등의 장치에 내장되어 장치를
제어하는 컴퓨터
실시간 특성을 가짐
크기, 메모리 및 전원 등에서 제약 조건을 가짐
임베디드 운영체제 사례:



Operating System
RTOS(Real-time Operating System)- pSos etc
Window-CE, Embedded Window-XP
Embedded Linux
41
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
Operating System
42
시스템 호출 (1)

시스템 호출(System Calls)

사용자 프로그램과 운영체제 간의 인터페이스



시스템 호출 사용 예: 파일 복사 프로그램






Operating System
표준 라이브러리 함수를 통한 호출
어셈블리어 수준에서의 직접 호출
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
43
시스템 호출 (2)
시스템 호출
사용자 프로그램
운영체제
프로그래머 관점
Operating System
44
시스템 호출 수행 과정

There are 11 steps in making the system call
read (fd, buffer, nbytes)
Operating System
45
시스템 호출 종류 (1)

프로세스 제어(Process Control)
Operating System

프로세스 생성 및 종료

프로세스 적재 및 실행

프로세스 속성 설정 및 획득 등
46
시스템 호출 종류 (2)

A stripped simple shell:
while (TRUE) {
type_prompt( );
read_command (command, parameters)
if (fork() != 0) {
/* Parent code */
waitpid( -1, &status, 0);
} else {
/* Child code */
execve (command, parameters, 0);
}
/* repeat forever */
/* display prompt */
/* input from terminal */
/* fork off child process */
/* wait for child to exit */
/* execute command */
}
Operating System
47
시스템 호출 종류 (3)

파일 조작(File Management)

파일 생성 및 삭제

파일 개방 및 닫기

파일 쓰기 및 읽기

파일 속성 설정 및 획득
Operating System
48
시스템 호출 종류 (4)

디렉토리 조작(Directory Management)

디렉토리 생성 및 삭제

디렉토리 링크

파일시스템 Mounting
Operating System
49
시스템 호출 종류 (5)

기타 시스템 호출



Operating System
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
50
시스템 호출 종류 (6)
Operating System
51
시스템 호출 종류 (7)
Operating System
Some Win32 API calls
52
운영체제 구조(1)

시스템 프로그램

사용자 관점의 운영체제

프로그램 개발과 실행 환경 제공

시스템 관리 기능 제공

파일 조작 기능 제공

시스템 호출에 대한 사용자 인터페이스 제공

Operating System
예: 컴파일러, 윈도우 탐색기, 제어판, 프린터 등
53
운영체제 구조(2)
Operating System
54
UNIX OS 구조
Operating System
55
Modern UNIX Kernel
Operating System
56
Modern UNIX Systems




System V Release 4 (SVR4)
Solaris 9
4.4BSD
Linux
Operating System
57
Windows Architecture



Modular structure for flexibility
Executes on a variety of hardware platforms
Supports application written for other operating
system
Operating System
58
59
Operating System
Operating System Organization

Modified microkernel architecture



Not a pure microkernel
Many system functions outside of the microkernel run in
kernel mode
Any module can be removed, upgraded, or
replaced without rewriting the entire system
Operating System
60
Kernel-Mode Components

Executive

Contains base operating system services






Memory management
Process and thread management
Security
I/O
Interprocess communication
Kernel

Operating System
Consists of the most used components
61
Kernel-Mode Components

Hardware abstraction layer (HAL)


Device drivers


Isolates the operating system from platform-specific
hardware differences
Translate user I/O function calls into specific hardware
device I/O requests
Windowing and graphics systems

Operating System
Implements the graphical user interface (GUI)
62
Windows Executive










I/O manager
Cache manager
Object manager
Plug and play manager
Power manager
Security reference monitor
Virtual memory manager
Process/thread manager
Configuration manager
Local procedure call (LPC) facility
Operating System
63
User-Mode Processes

Special system support processes




Ex: logon process and the session manager
Service processes
Environment subsystems
User applications
Operating System
64
Client/Server Model

Simplifies the Executive


Improves reliability




Possible to construct a variety of APIs
Each service runs on a separate process with its own
partition of memory
Clients cannot not directly access hardware
Provides a uniform means for applications to
communicate via LPC
Provides base for distributed computing
Operating System
65
Threads and SMP





Operating system routines can run on any available
processor
Different routines can execute simultaneously on different
processors
Multiple threads of execution within a single process may
execute on different processors simultaneously
Server processes may use multiple threads
Share data and resources between process
Operating System
66
Windows Objects

Encapsulation


Object class or instance


Create specified instances of an object
Inheritance


Object consists of one or more data items and one or
more procedures
Support to some extent in the Executive
Polymorphism
Operating System
67