[정보처리기능사 실기] 운영체제 기초 활용(1)

1. 운영체제의 개요

운영체제(OS, Operating System): 컴퓨터 사용자와 하드웨어 간의 인터페이스로서 동작하는 시스템 소프트웨어의 일종

 

역할

• 컴퓨터를 편리하고, 하드웨어를 효율적으로 사용할 수 있게 한다.
• 다른 응용 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있도록 환경을 만들어 준다.
• 사용자와 컴퓨터간의 인터페이스로 동작하는 시스템 소프트웨어 이다.

 

운영체제의 목적(운영체제의 성능 평가 항목)

성능 평가 항목	설명
처리 능력 향상	주어진 시간 내에 처리되는 작업량이 많을수록 운영체제의 성능이 좋다.
응답 시간 감소	컴퓨터에 명령을 지시한 후, 그 결과를 출력하는 시간이 짧을수록 운영체제의 성능이 좋다.
신뢰성 향상	주어진 작업을 오류 없이 처리하는지에 대한 것이다.
사용 가능도 향상	시스템 운영 시간 중 얼마나 많은 시간을 사용 가능한지에 대한 것이다.

 

운영체제의 기능

• 사용자와 컴퓨터 시스템 간의 인터페이스를 제공한다.
• 프로세서, 기억장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리한다.
• 입출력에 대한 보조기능을 제공한다.
• 시스템의 오류를 검사하고, 복구하면 시스템을 보호한다.
• 메모리 상태 관리, 사용자 간의 자원공유 등의 기능을 한다.

 

운영체제의 운영 방식

1. 일괄 처리 시스템

• 가장 먼저 생겨난 형태로, 한정된 시간 제약조건에서 자료를 분석하여 처리하는 시스템
• 유사한 성격의 작업을 한번에 모아서 처리하며, 오프라인 시스템에 사용되고 적절한 작업 제어 언어(JCL)를 제공한다.
• 예) 수도요금 계산, 월급 계산, 연말 결산

2. 다중 프로그래밍 시스템

• 하나의 컴퓨터 시스템에서 여러 프로그램들이 같이 컴퓨터 시스템에 입력되어 주기억장치에 적재되고, 이들이 처리장치를 번갈아 사용하면서 실행되는 시스템
• 처리량을 극대화시킨다.읽

3. 시분할 시스템

• 하나의 컴퓨터를 여러개의 단망기가 공동으로 사용하도록 하는 시스템
• 사용자 관점에서 프로세서를 일정한 주기로 번갈아 점유한다.
• 실시간(Real Time)응답이 요구되며, CPU가 Multi-Programming 하는 것을 가능하게 한다.

4. 다중 처리 시스템

• 여러 개의 CPU와 한 개의 주기억장치로 여러 프로그램을 동시에 처리하는 시스템

5. 실시간 처리 시스템

• 처리해야 할 작업이 발생한 시점에서 즉각적으로 처리하여 그 결과를 얻어내는 시스템
• 예) 항공기 예약, 은행 창구, 조회 및 질의 업무

6. 다중 모드 시스템

• 일괄 처리, 시분할, 자둥 처리, 실시간 처리 시스템을 한 시스템에서 모두 제공한다.

7. 분산 처리 시스템

• 여러 대의 컴퓨터들에 의해 작업들을 나누어 처리하여 그 결과를 통신망을 이용해 상호 교환되도록 연결되어 있는 시스템

 

운영체제의 발달 과정

일괄 처리 시스템 -> 다중 프로그래밍, 시분할, 다중 처리, 실시간 처리 시스템 -> 다중 모드 시스템 -> 분산 처리 시스템

 

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2. 주 메모리 관리

 

기억장치의 분류

기억장치(Memory): 중앙처리장치(CPU)가 작업을 수행하기 위해서 프로그램이나 데이터 등을 일시적으로 영구히 저장하는 장치들을 통틀어 지칭한다.

메모리 계층구조

 

기억장치의 특징

1. 주 메모리(Main Memory, 주기억장치)

• CPU가 직접 접근하여 처리할 수 있는 기억장치로, 현재 수행 중인 프로그램, 데이터를 저장한다.
• 반도체 메모리로, ROM과 RAM으로 구성된다.

2. 캐시 메모리(Cache Memory)

• 주기억장치와 CPU의 속도 차이를 줄여 처리의 효율을 높이기 위한 목적으로 사용된다.

3. 연관 메모리(Associatiove Memory)

• 저장된 내용을 이용해 접근하는 기억장치로, CAM(Content Addressable Memory)이라고도 한다.

4. 보조 메모리(secondary Memory)

• 주기억장치의 부족한 용량을 해결하기 위해 외부에 설치된 대용량 기억장치이다.
• 주기억장치에 비해 접근속도가 느리다.
• 전원이 차단되어도 내용이 그대로 유지된다.

5. 가상 메모리(Virtual Memory)

• 주기억장치의 부족한 용량을 해결하기 위해 보조기억장치를 주기억장치 처럼 사용하는 기법이다.
• 가상 메모리 구현 기법으로는 페이징(Paging) 기법과 세그먼테이션(segmentation) 기법이 있다.

 

기억장치의 관리 전략

1. 반입(Fetch) 전략: When

• 프로그램/데이터를 주기억장치로 가져오는 시기를 결정하는 전략이다.
• 종류: 요구 반입, 예상 반입

2. 배치(Placement) 전략: Where

• 프로그램/데이터를 주기억장치 내의 위치를 정하는 전략이다.
• 종류: 최초 적합(First Fit), 최적 적합(Best Fit), 최악 적합(Worst Fit)

3. 교체(Replacement) 전략: Who/What

• 주기억장치의 빈공간 확보를 위해 제거할 프로그램/데이터를 선택하는 전략이다.
• 주기억장치의 모든 페이지 프레임이 사용 중일때, 어떤 페이지 프레임을 교체할 것인가를 결정하는 전략이다.
• 종류: FIFO, OPT, LRU, LFU, NUR, SCR

 

배치(Replacement) 전략

 

배치 전략	설명
최조 적합(First Fit)	적재 가능한 공간 중에서 첫 번째 공간에 배치하는 방식이다.
최적 적합(Best Fit)	단편화 공간이 가장 작게 발생하는 공간에 배치하는 방식이다.
최악 적합(Worst Fit)	단편화 공간이 가장 크게 발생하는 공간에 배치하는 방식이다.

 

 

 

단편화

단편화(Fragmentation): 주기억장치 상에서 빈번하게 기억 장소가 할당되고 반납됨에 따라 기억장소들이 조각들로 나누어지는 현상

종류: 내부 단편화(Internal Fragmentation), 외부 단편화(External Fragmentation)

• 내부 단편화: 분할된 영역이 할당 작업보다 큰 상황에서 할당된 후 남게 되는 빈 조각 공간이 발생하는 현상
• 분할 영역 >= 할당 영역

 

• 외부 단편화: 분할된 영역이 할당 작업보다 작은 상황에서 할당이 불가능하게 되어 남게 되는 공간이 발생하는 현상
• 분할 영역 < 할당 영역

 

단편화 해결 방법

• 통합(Colalescing): 인접한 낭비 공간들을 모아서 하나의 큰 기억 공간을 만드는 작업
• 압축(Compaction): 서로 떨어져 있는 공백을 모아서 하나의 큰 기억 공간을 만드는 작업, Garbage Collection 이라고도 한다.

 

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3. 가상 메모리 관리

가상 메모리(Virtual Memory)는 보조기억장치의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것이다.

 

페이징(Paging) 기법

• 가상기억창지에 보관된 프로그램과 주기억장치의 영역을 동일한 크기로 나누 후, 나눠진 프로그램(페이지, Page)을 동일하게 아워진 주기억장치의 영역에 적재시켜 실행하는 기법이다.
• 매핑(Mapping)을 위해 페이지의 위치 정보를 가진 페이지 맵 테이블(Page Map Table)이 필요하다.
• 내부 단편화가 발생할 수 있다.

 

세그먼테이션(Segmentation) 기법

• 가상기억장치에 보관된 프로그램을 다양한 크기의 논리적인 단위(세그먼트, Segment)로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 실행시키는 기법이다.
• 매핑을 위해 세그먼트 위치 정보를 가진 세그먼트 맵 테이블(Segment Map Table)이 필요하다.
• 외부 단편화가 발생할 수 있다.

 

매핑 테이블

매핑 작업: 논리적 주소와 물리적 주소를 연결하는 과정으로 하드웨어 장치인 MMU(Memory Management Unit)에 의해 실행된다. 이때 논리적 주소의 매핑 정보를 매핑 테이블에 저장하여 관리한다.

 

페이지 교체 알고리즘

프로세스 실행 시 페이지가 주기억장치에 없는 페이지 부재(Page Fault) 발생 시 가상기억장치의 페이지를 주기억장치에 적재햐야 하는데, 이떄 주기억장치의 모든 페이지 프레임이 사용 중이면, 어떤 페이지 프레임을 교체할지 결정하는 기법이다.

교체 알고리즘	설명
OPT(OPTimal page replacement)	가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 먼저 교체하는 기법
FIFO(First In First Out)	가장 먼저 적재된 페이지를 먼저 교체하는 기법
LRU(Least Recently Used)	가장 오랫동안 사용되지 않았던 페이지를 먼저 교체하는 기법
LFU(Least Frequently Used)	참조된 횟수가 가장 적은 페이지를 먼저 교체하는 기법
NUR(Not Used Recently)	최근에 사용하지 않은 페이지를 먼저 교체하는 기법
SCR(Second Chance Replacement)	각 페이지 프레임을 FIFO 순으로 유지하면서 LRU 근사 알고리즘처럼 참조 비트를 갖게 하는 기법

 

 

가상기억장치 관련 기타 주요 용어

1. 구역성(Locality, 지역성)

• 프로세스가 실행되는 동안 일부 페이지만 집중적으로 참조되는 경향을 의미한다.
• 워킹 셋 이론의 기반이 된다.
• 시간 구역성(Temporal Locality): 최근에 참조된 기억장소가 가까운 장래에도 계속 참조될 가능성이 높음을 의미한다.
• 공간 구역성(Spatial Locality): 하나의 기억장소가 가까운 장래에도 계속 참조될 가능성이 높음을 의미한다.

2. 워킹 셋(Working Set)

• 프로세스를 효과적으로 실행하기 위하여 주기억장치에 유지되어야 하는 페이지들의 집합이다.

3. 스래싱(Thrashing)

• 페이지 부재가 계속 발생되어 프로세스가 수행되는 시간보다 페이지 교체에 소비되는 시간이 더 드는 현상
• 스래싱 현상 방지 기법: CPU 이용율 증가, 페이지 부재율 조절후 대처, 워킹 셋 방법 사용

4. 페이지 부재(Page Fault)

• 참조할 페이지가 주기억장치에 없는 현상이다.
• 페이지 부재율에 따라 주기억장치에 있는 페이지 프레임의 수를 늘리서나 줄여 부재율을 적정 수준으로 유지하는 것이 바람직하다.