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운영체제의 개요
- 01 운영체제 소개
- 02 운영체제의 역사
- 03 운영체제의 구조
- [심화학습] 운영체제의 종류와 역사
학습목표
- 운영체제의 필요성과 정의, 역할, 목표를 이해
- 초창기부터 현재까지 운영체제의 발전 과정을 살펴봄
- 현대의 컴퓨팅 환경을 파악
1-1 일상생활 속의 운영체제
운영체제(OS, Operating System)
- 일반 컴퓨터, 노트북, 스마트폰의 전원을 켜면 가장 먼저 만나게 되는 소프트웨어
- [예] PC 운영체제(윈도우, Mac OS, 유닉스, 리눅스 등) / 모바일 운영체제(iOS, 안드로이드 등)
임베디드 운영체제
- CPU의 성능이 낮고 메모리 크기도 작은 시스템에 내장하도록 만든 운영체제
- 임베디드 운영체제가 있는 기계는 기능을 계속 향상할 수 있음
1-2 운영체제의 필요성
1-2 운영체제의 정의
(비유) 레스토랑에 비유한 운영체제
- 레스토랑에서 음식을 주문하면 웨이터가 그 음식을 주방에 알려주고 손님은 주문한 음식을 제공받음
- 손님이 멋대로 주방 기구를 만지거나 조리를 하면 주방이 난장판이 됨
- 손님이 주방에 들어가서 직접 조리하거나 주방 기구를 만지지 않는 것처럼 운영체제가 컴퓨터 자원을 직접 관리하고 그 결과만을 사용자에게 알려줌으로써 자원을 보호 함
운영체제의 정의
- 응용 프로그램이나 사용자에게 컴퓨터 자원을 사용할 수 있는 인터페이스를 제공하고 그 결과를 돌려주는 시스템 소프트웨어
- 응용 프로그램이나 사용자에게 모든 컴퓨터 자원을 숨기고 정해진 방법으로만 컴퓨터 자원을 사용할 수 있도록 제한
1-4 운영체제의 역할
자원 관리
- 컴퓨터 시스템의 자원을 응용 프로그램에 나누어주어 사용자가 원활하게 작업할 수 있도록 함
- 자원을 요청한 프로그램이 여러 개라면 적당한 순서로 자원을 배분하고 적절한 시점에 자원을 회수하여 다른 응용 프로그램에 나누어줌
자원 보호
- 비정상적인 작업으로부터 컴퓨터 자원을 보호
하드웨어 인터페이스 제공
- 사용자가 복잡한 과정 없이 다양한 장치를 사용할 수 있도록 해주는 하드웨어 인터페이스 제공
- CPU, 메모리, 키보드, 마우스와 같은 다양한 하드웨어를 일관된 방법으로 사용할 수 있도록 지원
사용자 인터페이스 제공
- 사용자가 운영체제를 편리하게 사용하도록 지원(예: 윈도우의 그래픽 사용자 인터 페이스(GUI))
1-5 운영체제의 목표
운영체제의 목표
효율성
- 자원을 효율적으로 관리하는 것
- 같은 자원을 사용하여 더 많은 작업량을 처리하거나, 같은 작업량을 처리하는 데 보다 적은 자원을 사용하는 것
안정성
- 작업을 안정적으로 처리하는 것
- 사용자와 응용 프로그램의 안전 문제와 하드웨어적인 보안 문제 처리
- 시스템에 문제가 발생했을 떄 이전으로 복구하는 결함 포용 기능 수행
확장성
- 다양한 시스템 자원을 컴퓨터에 추가하거나 제거하기 편리한 것
편리성
- 사용작 편리하게 작업할수 있는 환경을 제공하는 것
2-1 운영체제 역사
| 구분 | 시기 | 주요 기술 | 특징 |
| 0기 | 1940년대 | 없음 | 진공관(0과 1) 사용 |
| 1기 | 1950년대 | 카드 리더, 라인 프린터 | 일괄 작업 시스템 운영체제의 등장 |
| 2기 | 1960년대 초반 | 키보드, 모니터 | 대화형 시스템 |
| 3기 | 1960년대 후반 | C 언어 | 다중 프로그래밍 기술 개발 시분할 시스템 |
| 4기 | 1970년대 | PC | 개인용 컴퓨터의 등장 분산 시스템 |
| 5기 | 1990년대 | 웹 | 클라이언트 / 서버시스템 |
| 6기 | 2000년대 | 스마트폰 | P2P 시스템(메신저, 파일 공유) 그리드 컴퓨팅 클라우드 컴퓨팅 사물 인터넷 |
2-2 초창기 컴퓨터(1940년대)
에니악
- 백열전구같은 모양의 진공관이라는 소자를 사용하여 진공관이 켜지면 1, 꺼지면 0이라고 판단
- 전서을 연결하여 논리회로를 구성하는 '하드와이어링' 방식으로 동작
- 운영체제가 없음
2-3 일괄 작업 시스템(1950년대)
천공카드 시스템
- 천고앜드 리더를 입력장치로, 라인 프린터를 출력장치로 사용
- 프로그램을 구성한 후 카드에 구멍을 뚫어 컴퓨터에 입력하면 프로그램이 실행되는 구조로서 프로그램의 ㄱ실행결과가 라인 프린터를 통해 출력
일괄 작업 시스템
- 천공카드리더기(입력)과 라인프린터(출력) 사용:
모든 작업을 한꺼번에 처리하고 프로그램 실행 중간에 사용자가 데이터를 입력하거나 수정하는 것이 불가능한 시스템 - 운영체제 사용(메인메모리가 운영체제의 상주 영역과 사용자의 영역으로 나뉨)
2-4 대화형 시스템(1960년대 초반)
대화형 시스템
- 모니터와 키보드의 등장:
프로그램이 진행되는 도중에 사용자로부터 입력을 받을 수 있어 입력값에 따라 작업의 흐름을 바꾸는 것이 가능한 시스템 - 대화형 시스템의 등장으로 문서 편집기, 게임과 같은 다양한 종류의 응용 프로그램을 만들 수 있게 됨
2-5 시분할 시스템(1960년대 후반)
다중 프로그래밍
- 하나의 CPU 로 여러 작업을 동시에 실행하는 기술
- 한 번에 하나의 작업만 가능한 일괄 작업 시스템에 비해 효율성이 뛰어남
- 시간을 분할하는 방법 때문에 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보임
- CPU 사용 시간을 아주 잘게 쪼개어 여러 작업에 나누어 줌
시분할 시스템
- CPU 사용 시간을 잘개 쪼개어 작업들에 나누어줌으로써 모든 작업이 동시에 처리되는 것처럼 보임
- 잘게 나뉜 시간 한 조각을 타임 슬라이스 또는 타임 퀀텀이라고 함
- 오늘날의 컴퓨터에는 대부분 시분할 시스템이 사용
2-6 분산 시스템(1970년대 후반)
분산 시스템
- 개인용 컴퓨터와 인터넷이 보급되면서 값이 싸고 크기가 작은 컴퓨터를 하나로 묶어서 대형 컴퓨터의 능력에 버금가는 시스템을 만들 수 있게 됨
- 네트워크상에 분산되어 있는 여러 컴퓨터로 작업을 처리하고 그 결과를 상호 교환하도록 구성한 시스템
2-6 클라이언트/서버 시스템(1990년대 ~ 현재)
클라이언트/서버 시스템
- 작업을 요청하는 클라이언트와 거기에 응답하여 요청받은 작업을 처리하는 서버의 이중구조로 나뉨
- 웹 시스템이 보급된 이후 일반인들에게 알려짐
2-8 P2P 시스템(2000년대 초반 ~ 현재)
P2P 시스템
- 클라이언트/서버 구조의 단점인 서버 과부하를 해결하기 위해 만든 시스템
- 서버를 거치지 않고 사용자와 사용자를 직접 연결
- 냅스터(MP3 공유 시스템)에서 시작하여 현재는 메신저나 토렌트 시스템에서 사용
P2P 시스템의 예: 메신저
- P2P 기술은 불법 소프트웨어 기술 규제 때문에 발전하지 못하다가 메신저 프로그램에 도입되어 큰 발전을 이룸
- 수만 명이 동시에 채팅을 하고 파일을 주고받는 메신저 시스템은 P2P 기술을 이용하면 서버의 부하없이 구현할 수 있음
P2P 시스템의 예: 파일 공유
- 10명에게 데이터를 받는다면 1명에게 데이터를 받을 때보다 속도가 10배 빠를 뿐 아니라, 데이터를 받는 도중 1~2명이 프로그램을 중단해도 다른 사람에게 나머지를 받을 수 있음
2-9 기타 컴퓨팅 환경(2000년대 초반 ~ 현재)
그리드 컴퓨팅
- 필요한 기간만큼만 컴퓨터를 사용하고 사용한 금액만큼만 돈을 지불할 수 컴퓨팅 환경
- 서로 다른 기종의 컴퓨터들을 묶어 대용량의 컴퓨터 풀을 구성하고 이를 원격지와 연결하여 대용량 연산을 수행하는 컴퓨팅 환경
- 그리드가 하드웨어적인 컴퓨팅 환경의 통합이라고 한다면 SaaS(Software as a Service, 사스)는 사용자가 필요한 소프트웨어 기능만을 필요할 때 이용하고, 이용한 기능만큼만 비용을 지불하는 개념
- CPU 관리, 저장소 관리, 보안 조항, 데이터 이동, 모니터링과 같은 서비스를 위한 표준 규약 생성에 기여
클라우드 컴퓨팅
- 언제 어디서나 응용 프로그램과 데이 터를 자유롭게 사용할 수 있는 컴퓨팅 환경으로 그리드 컴퓨팅과 SaaS를 합 쳐 놓은 형태
- 하드웨어를 포함한 시스템이 구름에 가려진 것처럼 사용자에게 보이지 않는 컴퓨팅 환경이라는 의미
사물 인터넷(Internet of Thing, IoT)
- 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술
- 인터넷으로 연결된 사물들이 데이터를 주고받아 스스로 분석하고 학습한 정보를 사용자에게 제공하거나 새로운 서비스를 창출
3-1 커널과 인터페이스
커널
- 프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리와 같은 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 것
인터페이스
- 커널에 사용자의 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자에게 알려주는 역할
- 그래픽을 사용한 인터페이스를 GUI(Graphical User Interface)라 부름
3-2 시스템 호출과 디바이스 드라이버
시스템 호출
- 커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스
- 커널은 사요자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단
직접 접근
- 두 응용프로그램이 자기 마음에 드는 위치에 데이터를 저장하려고 함
- 다른 사람의 데이터를 지울 수도 있고 내 데이터가 다른사람에 의해 지워질 수 있음
시스템 호출을 통한 접근
- 응용 프로그램이 직접 하드디스크에 데이터를 저장하지 않고 커널이 제공하는 write() 함수를 사용하여 데이터를 저장해달라고 요청
- 커널이 데이터를 가져오거나 저장하는 것을 전적으로 책임지기 때문에 컴퓨터 자원 관리가 수월
시스템 호출
- 시스템 호출은 커널이 제공하는 시스템 자원의 사용과 연관된 함수
- 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 접근하거나 운영체제가 제공하는 서비스를 이용하려 할 때는 시스템 호출을 사용해야 함
- 운영체제는 커널이 제공하는 서비스를 시스템 호출로 제한하고 다른 방법으로 커널에 들어오지 못하게 막음으로써 컴퓨터 자원을 보호
- 시스템 호출은 커널이 제공하는 서비스를 이용하기 위한 인터페이스이며, 사용자가 자발적으로 커널 영역에 진입할 수 있는 유일한 수단임
드라이버
- 커널과 하드웨어의 인터페이스 담당하며 디바이스 드라이버라고도 불림
- 마우스와 같이 간단한 제품은 드라이버를 커널이 가지고 있으나, 그래픽카드와 같이 복잡한 하드웨어의 경우 제작자가 드라이버를 제공
3-3 커널의 구성
커널이 하는 일
- 프로세스 관리
프로세스에 CPU를 배분하고 작업에 필요한 제반 환경을 제공 - 메모리 관리
프로세스에 작업 공간을 배치하고 실제 메모리보다 큰 가상공간을 제공 - 파일 시스템 관리
데이터를 저장하고 접근할 수 있는 인터페이스를 제공 - 입출력 관리
필요한 입출력과 출력 서비스를 제공 - 프로세스 간 통신 관리
공동 작업을 위한 각 프로세스 간 통신 환경을 지원
단일형 구조 커널
- 초창기의 운영체제 구조
- 커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈들이 구분없이 하나로 구성
- 장점
모듈 간의 통신 비요이 줄어들어 효율적인 운영 가능 - 단점
- 모든 모듈이 하나로 묶여있기 때문에 버그나 오류를 처리하기 어려움
- 운영체제의 여러 기능이 서로 연결되어 있어 상호 의존성이 높기 때문에 기능상의 작은 결함이 시스템 전체로 확산 될 수 있음
- 다양한 환경의 시스템에 적용하기 어려움
- 현대의 운영체제는 매우 크고 복잡하기 때문에 완전 단일형 구조의 운영체제를 구현하기가 어려움
계층형 구조 커널
- 비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어서 하나의 계층으로 만들고 계층 간의 통신을 통해 운영체제를 구현하는 방식
마이크로 구조 커널
- 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스 간 통신 관리 등 가장 기본적인 기능만 제공
- 커널의 각 모듈은 세분화되어 존재하고 모듈 간의 정보 교환은 프로세스 간 통신을 이용하여 이루어짐
3-4 가상머신
가상머신
- 운영체제와 응용 프로그램 사이에서 작동하는 프로그램
- 가상머신을 설치하면 응용 프로그램이 모두 동일한 환경에서 작동하는 것처럼 보임
- 자바는 유닉스와 윈도우에서 작동하지만 다양한 가상머신을 만들어 배포하는데 이를 자바 가상머신(Java Virtual Machine, JVM)이라고 함
[심화학습] 4-1 유닉스와 리눅스
유닉스의 개발과 확산
- 1969년 AT&T의 연구원으로서 멀틱스 프로젝트에 참가 중이던 켄 톰프슨은 사무실에서 안 쓰던 PDP-7 컴퓨터에 멀틱스와 비슷한 개념의 운영체제를 구현하려 함
- 멀틱스 프로젝트가 잘 진행되지 않던 차에 톰프슨의 행동에 흥미를 느낀 데니스 리치와 피터 뉴만도 여기에 함께하게 되었고, 이 운영체제의 이름을 골치 아픈 멀틱스 대신 단순하다는 의미의 ‘유닉스’로 지음
- 유닉스는 이식하기 쉬웠던 탓에 인기를 얻게 됨
- 개발 후 소스코드가 공개되어 계속 다른 기종의 컴퓨터에 이식되었으며, 여러 기업과 대학에서 이를 이용한 연구가 진행되어 다양한 기능이 추가됨
리눅스의 개발
- 1991년에 리누스 토르발스가 PC에서 동작하는 유닉스 호환 커널을 작성하여 GPL로 배포하고 이어서 소스코드도 공개한 것이 리눅스의 시작
[심화학습] 4-2 매킨토시와 스티브 잡스
애플 II의 등장
- 1976년 스티브 잡스는 스티브 워즈니악, 로널드 웨인과 함께 애플을 창업하고 1977년 애플 II라는 개인용 컴퓨터를 대중화함
스티브 잡스의 업적
- 기술을 발전시키는 것보다 사용자에게 편리함을 제공하는 사용자 인터페이스와 같은 기술 개발에 집중
- 사용자 인터페이스(UI)보다 더 사용자 친화적이고 사용자 경험에 중심을 두는 UX(User eXperience) 기술 개발에 집중
- 2001년 아이팟을 출시하여 음악 산업 전체를 뒤집어 엎음
- 아이팟 다음으로 아이폰을 내놓아 세상을 놀라게 함
- 사용자의 애플 제품에 열광하는 이유는 다른 제품에서는 경험할 수 없는 독특하고 편리한 인터페이스에 있음
[심화학습] 4-3 윈도우 운영체제
윈도우의 출시
- 마이크로소프트는 애플 MacOS의 그래픽 사용자 인터페이스에 자극을 받아 윈도우 운영체제를 출시하고 계속 업그레이드하여 현재는 버전 11까지 나옴
[심화학습] 4-4 모바일 운영체제
스마트폰의 등장
- 마이크로소프트의 번영은 스마트폰의 보급으로 한풀 꺾임
- 애플의 아이폰이 스마트폰 시장을 장악
- 다른 회사들도 그에 대항할 스마트폰을 개발하는 데 주력
- 구글이 모바일용 운영체제인 안드로이드를 개발
- 현재 아이폰을 제외한 대부분의 스마트폰은 안드로이드 운영체제로 사용하고 있음
안드로이드의 특징
- GNU의 리눅스 커널을 사용하여 제작되었기 때문에 GPL을 따름
- 누구나 공짜로 사용할 수 있고, 새로운 버전과 동시에 소스코드도 공개하기 때문에 누구나 수정·배포할 수 있음
- 스마트폰 제조사들은 대부분 안드로이드의 소스코드를 자사 제품에 맞게 수정하여 무료로 배포하고 있음
본 '컴퓨터운영체제'는 [컴퓨터운영체제 - 경상국립대학교 컴퓨터과학부(빅데이터전공)]에서 수업한 자료를 토대로 정리하여 작성하였습니다.
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