운영체제 이론 - 커널과 인터페이스

1) 운영체제의 구조

 

(1) 커널과 인터페이스

• 운영체제란 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리해주며 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있도록 환경을 제공하는 여러 프로그램들의 모임이다.

 

• 운영체제는 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 간의 인터페이스로서 동작하는 시스템 소프트웨어의 일종으로 다른 응용 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있도록 환경을 제공한다.

 

• 이러한 운영체제는 크게 두 부분으로 구성되는데 사용자와 응용 프로그램에 인접하여 커널에 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자에게 알려주는 인터페이스와 운영체제의 핵심 기능을 모아 놓은 커널이다.

• 그리고 운영체제는 커널과 인터페이스를 분리하여 같은 커널을 사용하더라도 다른 인터페이스를 가진 형태로 제작할 수 있다.

 

• 즉, 같은 커널이라도 다른 인터페이스가 장착되면 사용자에게 다른 운영체제로 보인다는 것이고 예시로 운영체제 중 유닉스가 있는데 유닉스의 사용자 인터페이스는 “쉘(Shell)” 이라고 하며 C쉘 (csh), T쉘 (tsh), 배시쉘 (bash) 등 여러 종류의 쉘이 있다.

 

• 쉘은 명령어 기반 (CLI)이라 일반인이 사용하기 불편하여 유닉스 운영체제를 어렵게 느끼는 사람이 있는 반면에 편리한 인터페이스와 화려한 그래픽으로 일반인이 사용하기 쉽고 편리한 애플의 운영체제인 Mac OS도 알고 보면 동일한 유닉스 계열의 커널을 이용해서 만든 것이다.

 

• 이처럼 같은 커널을 사용하더라도 다른 인터페이스를 가짐으로써 사용자에게는 다른 운영체제로 보이는 것이며 사용자 입장에서는 커널보다 인터페이스가 먼저 보이기 때문에 좋은 커널의 컴퓨터보다 좋은 인터페이스의 컴퓨터를 사용하려는 경향이 있다.

 

[Note] 좁은 의미의 운영체제 & 넓은 의미의 운영체제

• 좁은 의미의 운영체제

항시 메모리에 상주하는 운영체제의 핵심 기능을 커널이라고 하며 이것을 “좁은 의미의 운영체제”라고 한다.

 

• 넓은 의미의 운영체제

커널뿐만 아니라 각종 시스템을 위한 유틸리티들을 광범위하게 포함하여 “넓은 의미의 운영체제”라고 한다.

 

∴ 보통은 운영체제라고 하면 커널을 말한다.

 

[참고] 커널 구조 그림

(2) 시스템 호출 (System Call) 및 디바이스 드라이버 (Device Driver)

 

(2-1) 시스템 호출

• 커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스로서 커널은 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단한다. → 자원을 이용하려면 시스템 호출이라는 인터페이스를 이용하여 접근해야 한다.

 

• 그렇다면 자원에 직접 접근하는 것과 시스템 호출을 통해 접근하는 것은 어떠한 차이점이 있는지 응용 프로그램의 입장에서 다뤄보자.

 

① 직접 접근
두 응용 프로그램이 자기 마음에 드는 위치에 데이터를 저장하려 할 것이고, 이 경우 다른 사람의 데이터를 지울 수도 있고 내 데이터가 다른 사람에 의해 지워질 수도 있다.

 

② 시스템 호출을 통한 접근
응용 프로그램이 직접 하드디스크에 데이터를 저장하지 않고 커널이 제공하는 write() 함수를 사용하여 데이터를 저장해달라고 요청한다.

 

응용 프로그램은 데이터가 하드디스크의 어느 위치에 어떤 방식으로 저장되는지 알 수 없고 만약 자신이 저장한 데이터를 읽고 싶다면 read() 함수로 시스템 호출을 이용하여 가져오면 된다.

 

시스템 호출을 이용하면 커널이 데이터를 가져오거나 저장하는 것을 전적으로 책임지기 때문에 컴퓨터 자원을 관리하기가 수월하다.

 

[정리] 시스템 호출 (System Call)

• 시스템 호출은 커널이 제공하는 시스템 자원의 사용과 연관된 함수이다.

 

• 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 접근하거나 운영체제가 제공하는 서비스를 이용하려 할 때는 시스템 호출을 사용해야 한다.

 

• 운영체제는 커널이 제공하는 서비스를 시스템 호출로 제한하고 다른 방법으로 커널에 들어오지 못하게 막음으로써 컴퓨터 자원을 보호한다.

 

• 시스템 호출은 커널이 제공하는 서비스를 이용하기 위한 인터페이스이며, 사용자가 자발적으로 커널 영역에 진입할 수 있는 유일한 수단이다.

 

(2-2) 디바이스 드라이버

• 응용 프로그램과 커널의 인터페이스가 시스템 호출이라면 커널과 하드웨어의 인터페이스는 디바이스 드라이버가 담당한다.

 

• 컴퓨터 하드웨어는 종류가 아주 많은데, 운영체제가 많은 하드웨어를 다 사용할 수 있는 환경을 제공하려면 각 하드웨어에 맞는 프로그램을 직접 개발해야 하는데 커널이 모든 하드웨어에 맞는 인터페이스를 다 개발하기란 어렵기 때문에 각 하드웨어의 특성은 하드웨어 제작자가 가장 잘 알고 있기에 하드웨어 제작자가 관련 소프트웨어를 만드는 것이 더 유리하다.

 

• 커널은 입출력의 기본적인 부분만 제작하고 하드웨어의 특성을 반영한 소프트웨어를 하드웨어 제작자에게 받아 커널이 실행될 때 함께 실행하도록 한다.

 

• 이 때, 하드웨어 제작자가 만든 소프트웨어를 디바이스 드라이버라고 한다.

 

• 마우스, 키보드와 같이 복잡하지 않은 디바이스 드라이버는 커널에 포함되어 있어 컴퓨터에 꽂기만 하면 작동되지만 그래픽카드, 프린터와 같이 크기가 크고 복잡한 디바이스 드라이버는 사용자가 직접 설치해야 한다.

• 왼쪽 그림처럼 시스템 호출 부분을 보면 커널 앞 부분 전체를 감싸고 있는데 이는 시스템 호출을 거치지 않고 커널에 진입할 수 없다는 의미이다.

 

• 반면에 디바이스 드라이버는 커널 전체를 감싸지 않고 있는데 이는 커널이 제공하는 드라이버도 있고 하드웨어 제작자가 제공하는 드라이버도 있다는 뜻이다.