컴퓨터시스템 운영체제

운영체제 역할

운영체제는 컴퓨터 하드웨어와 응용 프로그램 간의 인터페이스 역할을 하며 CPU, 메모리와 같은 컴퓨터 자원을 관리하고 사용자에게 편의를 제공한다.

컴퓨터 시스템은 일반적으로 사용자, 소프트웨어, 하드웨어 세 가지 요소로 구성된다.

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운영체제는 컴퓨터 하드웨어와 응용 프로그램 간의 인터페이스 역할을 하며 CPU, 메모리와 같은 컴퓨터 자원을 관리하고 사용자에게 편의를 제공한다.

컴퓨터 자원을 관리한다는 측면에서 아래와 같이 운영체제의 역할을 정리할 수 있다.

조정자

- 운영체제는 시스템을 운영하여 여러 운영 요소(하드웨어, 소프트웨어(프로그램), 데이터)를 적절하게 사용할 수 있도록 제어한다.

- 다른 프로그램이 작업할 수 있는 환경만 제공할 뿐 직접 일을 못하는 조정자 역할만 한다.

자원 할당자 또는 관리자

- 컴퓨터 시스템이 문제를 해결하는 데 필요한 자원(프로세서 시간, 메모리 공간, 파일 저장 공간, 입출력장치 등)을 할당하는 업무를 한다.

- 컴퓨터 시스템을 공정하고 효율적으로 운영하기 위해 자원을 어떻게 할당할 지를 결정하는 관리자 역할도 수행한다.

입출력장치와 사용자 프로그램 제어

- 컴퓨터 시스템의 부적절한 사용이나 오류를 방지하기 위해 사용자 프로그램의 실행을 제어한다.

- 입출력장치를 동작시키고 통제하는 역할을 한다.

운영체제는 다음과 같은 기능을 제공한다.

하드웨어와 사용자 간의 인터페이스를 정의한다.

사용자들이 하드웨어를 공동으로 사용할 수 있도록 해준다.

사용자 간의 자원 스케줄링, 즉 자원 할당자 역할을 수행한다.

입출력 보조 역할을 한다.

오류를 처리한다.

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운영체제의 역할과 기능이 매우 다양하여 완벽히 정의하기 힘드나, 일반적으로

“컴퓨터 자원을 통제하고 할당하는 공통 기능을 컴퓨터 소프트웨어 하나로 통합한 것”으로 정의한다.

구체적으로 표현하면,

“컴퓨터 시스템에서 항상 실행되는, 응용 프로그램을 제외한 모든 프로그램 또는 커널(Kernel)”이라 한다.

※ 커널(Kernel)- 운영체제의 핵심으로 메모리에 상주하며 운영체제의 다른 부분 또는 응용 프로그램 수행에 필요한 환경을 설정하는 소프트웨어.

- 응용 프로그램 실행에 필요한 다양한 서비스를 제공하고 실행되는 프로세스를 스케줄링하는 역할.

운영체제의 목적

운영체제는 두 가지 주요 목적을 달성하기 위해 발전해왔다.

편리성 : 사용자가 프로그램을 개발하고 사용하는 데 좀 더 편리한 환경 제공.ex: 개인용 컴퓨터(PC, Personal Computer)의 GUI 환경

효율성 : 자원을 효과적으로 사용하기 위해 각 프로그램을 유기적으로 결합하여 시스템 전체 성능을 향상시키는 방향으로 설계된다.

- 처리 능력 : 시스템의 생산성을 나타내는 대표 지표로 단위 시간당 처리하는 작업량.

- 신뢰도 : 하드웨어(펌웨어), 소프트웨어가 실패 없이 주어진 기능을 수행할 수 있는 능력.

- 응답 시간 : 사용자가 시스템에 작업을 의뢰한 후 반응을 얻을 때까지의 시간. (시분할 방식 시스템과 온라인 시스템에서 사용하는 용어, 일괄 처리 시스템에서는 Turn Around Time)

- 사용가능도(가동률) : 사용자가 일정 기간 동안 컴퓨터를 실제로 사용한 시간(비율).

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운영체제 기능의 발전

초기의 컴퓨터 시스템

작업별 처리 시스템

- 속도가 느리고 온라인 판독기와 프린터에만 의존하여 작업을 수행, 많은 시간이 소요되었다.

- 컴퓨터에는 하드웨어만 있어 프로그래머가 콘솔(Console)용으로 작성한 프로그램을 종이 테이프나 펀치 카드에서 메모리로 적재한 후, 시작 주소를 설정하고 실행, 실행 과정은 콘솔을 통해 살펴보았다.

- 대부분 2진수나 8진수 기계어로 작성, 절대 주소를 사용하였고 라이브러리 루틴이 없었다.

- 로더는 용량이 작고, 메모리 내용은 대부분 사용자 자신이 작성한 프로그램이며, 수동 대화 방식으로 진행하여 프로그래머가 시스템 오퍼레이터(System Operator)가 되고 시스템 사용을 위해 신청을 예약하는 예약제도로 운영됐다.

- 예약 시간 안에 작업을 끝마치지 못하면 다른 사용자에게 사용권을 넘겨주고 대기, 작업을 빠르게 끝마쳐도 남은 시간은 유휴시간이 된다.

카드 판독기, 라인 프린터, 자기 테이프의 보편화

어셈블러(Assembler), 로더(Loader), 링커(Linker) 등이 개발

라이브러리 생성

- 공통 기능을 새로 작성할 필요 없이 작성할 프로그램에 삽입 가능하게 되었다.

컴파일러 개발

- 포트란(Fortran), 코볼(COBOL, Common Business Oriented Language) 등

- 프로그래밍 업무는 쉬워졌으나 컴퓨터 동작은 복잡해졌다.

- 포트란 컴파일러의 경우 8단계의 어셈블리(Assembly) 과정이 필요하며, 이로 인해 준비 시간(Setup Time) 단계가 많아 시간이 낭비되고 한 단계에서 오류 발생 시 처음부터 다시 수행해야 한다.

모니터

작업 준비 시간의 문제를 해결하고 컴퓨터 처리율을 높이기 위해 다음 방법을 고려할 수 있다.

1. 컴퓨터 운용을 촉진하기 위해 전문 오퍼레이터를 채용한다.

2. 유사 작업을 묶어 일괄 처리하는 방법을 작업 스케줄링 기법에 도입하여 준비 시간을 줄인다.

초기의 일괄 처리 시스템 (그림 2-4)

- 진행 과정

1. 컴퓨터로 카드 판독기와 테이프 드라이브를 작동, 데이터를 테이프에 저장.

2. 생성한 데이터 테이프의 연산 처리를 위해 컴퓨터의 입력 테이프 드라이브로 사용하여 입력.

3. 연산 처리된 데이터는 출력 테이프 드라이브에 의해 출력 테이프에 저장, 컴퓨터에서 출력을 위해 프린터의 입력 테이프로 사용.

- 작업 중 문제 발생 시 오퍼레이터가 콘솔을 조사, 사태 여부를 파악하고 필요한 조치를 취하기 위해 프로세서의 유휴 시간이 생성되는 문제점이 있다.

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초기의 일괄 처리 시스템의 문제점을 해결하기 위해 개발한 자동 작업 순서(Automatic Job Sequencing)가 초기의 운영체제이다.

상주 모니터(Resident Monitor)

- 자동 작업 순서에서 하나의 작업에서 다른 작업으로의 진행을 자동으로 제어하는 프로그램을 말한다.

- 메모리에 상주하며 프로그램 종료 시 상주 모니터로 제어를 복귀시키고 다음 프로그램을 위해 제어를 프로그램에 다시 전달하여 프로그램과 작업이 자동으로 수행되도록 한다.

- 영역을 보호하기 위해 경계 레지스터를 이용하여 구분, 주요 부분은 카드에 있는 명령어를 판독하고 지시를 전달하는 역할을 수행하는 제어카드 해석기이다. (그림 2-6)

제어 카드(Control Card)

- 상주 모니터가 어느 프로그램을 실행할 지에 대한 정보를 직접 제공하기 위해 도입되었다.

- 다른 카드와 구별하기 이해 첫 번째 칸에 $ 문자를 삽입하거나 다른 코드(//)를 사용하였다.

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오프라인 연산(장치 독립성)

카드 판독기와 라인 프린터를 자기 테이프 장치로 대체.

- 일괄 처리 시스템을 자동 작업 순서로 전환하며 성능은 향상되었으나, 유휴 시간이 발생하는 문제점을 해결 하기 위해 느린 카드 판독기와 라인 프린터를 대체하였다.

- 프로세서가 카드를 직접 읽지 않고 자기 테이프에 먼저 복사하여 테이프가 충분히 채워지면 이것을 옮겨 입력 카드가 필요할 때 사용한다.

- 카드 판독기와 라인 프린터는 주 컴퓨터가 아닌 오프라인(Off-line)으로 수행된다.

오프라인 처리 운영 방식

1. 자기 테이프로부터 직접 입출력 할 수 있는 특수목적 장치(카드 판독기, 라인 프린터) 이용.

2. 전용 소형 컴퓨터(IBM 1401)를 사용, 테이프에 복사하는 작업을 수행.

- 전용 소형 컴퓨터는 주 컴퓨터의 보조 역할을 하는 하나의 프로세서로 보며, 이런 프로세서에 의한 처리는 성능 개선을 위해 함께 동작하는 다중 컴퓨터 시스템의 최초 개념이다.

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오프라인 연산의 장점

- 컴퓨터가 카드 판독기와 라인 프린터 속도의 영향을 받지 않고 자기 테이프 장치의 속도에만 영향을 받는다.

- 직접 입출력 방식에서 오프라인 방식으로 변경하기 위한 별도의 수정 작업이 필요하지 않는다.

- 프로세서 하나가 여러 개의 카드 판독기에서 테이프 장치로, 또는 테이프 장치에서 프린터 시스템으로 서로 변경하여 사용할 수 있다.

버퍼링(Buffering)

입출력장치의 느린 속도를 보완하여, 유휴 시간이 없도록 프로세서의 연산 과정과 함께 어떤 작업의 입출력을 동시에 수행하는 운영체제의 기능 중 하나이다.

컴퓨터 하드웨어의 일부인 버퍼를 사용하며, 한 작업의 입출력과 그 작업의 계산만 함께 할 수 있다.

데이터 구성 단위는 레코드로, 버퍼링의 성능은 처리되는 레코드 수에 따라 달라진다.

- 레코드는 응용 프로그램에 의해 정의되는 논리적 레코드와 입출력장치의 특성에 의해 정의되는 물리적 레코드로 나뉜다.

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스풀링(Spooling)

프로세서가 다른 부분을 판독하고 있는 동안 추가로 기록할 수 없는 테이프 시스템의 문제를 해결하기 위해 추가 기록이 가능한 디스크의 특성을 이용하여 개발되었다.

‘Simultaneous Peripheral Operation On-Line’라는 의미로 디스크를 매우 큰 버퍼처럼 사용하는, 입력장치에서 미리 읽어 출력 장치가 받을 수 있을 때 까지 출력 파일을 저장한다.

초기에 NASA의 휴스톤 계산 센터(Houston Computation Center)에 부가된 특수 기능으로 HASP(Houston Automatic Spooling Program)으로 알려져 있다.

별개의 오프라인 장치를 사용, 한 작업의 입출력을 수행하면서 다른 작업의 계산이 가능하고 많은 작업의 입출력과 계산을 함께 할 수 있다.

작업 풀(Job Pool) 데이터 구조를 제공한다.

- 디스크에 읽혀져 실행을 위해 다기하는 여러 작업을 수행할 수 있도록 준비, 디스크에 저장된 작업은 프로세서 이용률 향상을 위해 운영체제가 다음 수행할 작업 선택을 돕는다.

테이프 스테이징(Tape Staging)

- 자기 테이프의 전체 내용을 이용하기 전 디스크로 읽어 복사된 디스크에서 빠른 속도로 모든 연산이 수행되고 테이프를 사용하지 않는 방법.

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