OS #1 - Introduction & OS structures

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Chapter 1-2

Introduction & O/S Structures

운영체제, 컴퓨터, 정보

• 운영체제란?
  • An operating system is a software that operates a computer system
  • HW 상에서 SW 가 돌아 가도록 자원을 관리 역할
  • 항상 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
  • application program 이 동작하기 위해 필요
  • process, resource, user interfaces 등을 관리하는 프로그램
  • 예) 리눅스, 윈도우, Mac OS
  • a software that manages a computer's hardware
  • It also provides a basis for application programs and acts as an intermediary between the computer user and the computer hardware.
  • KERNEL 이라고도 불림
• 컴퓨터란?
  • A computer is a mahcine that processes the INFORMATION
• 정보란?
  • An information is can be defined as a quantitative representation that measures the uncertainty
  • $I(x)=-{\log }_{2}P(x)$ called bit(binary digit)
  • 놀람의 정도 - 해당 사건의 확률이 낮을수록, 더 많은 정보량을 나타냄
    • 잘 일어나지 않은 사건의 정보는 자주 발생할만한 사건보다 정보량이 많다는 것을 의미
  • 예1. 사건 X가 일어날 확률이 1/32 라 했을때 해당 사건의 정보량은?
    • $I(x)=-{\log }_{2}1/32=5$ 즉 5bit 의 정보량이 있음
  • Shannon entropy : 모든 사건의 정보량의 기대값
    $$H(X)=-\sum _{i=1}^{n}P(x_i)lo{g}_{2}P(x_i)$$
    $$H(X)=-E_{XP}I(X)=-E_{XP}logP(X)$$
• 컴퓨터의 정보 처리 방법
  • 정보의 최소 단위 : bit
  • 정보의 처리 : 정보의 상태 변환 (0->1, 1->0)
  • 부울 대수 (Boolean Algebra) : NOT, AND, OR
  • 논리 게이트 : NOT, AND, OR, XOR, NAND, NOR
  • 논리 회로
  • 데이터의 저장과 전송 : 플립-플롭, 데이터 버스
• 컴퓨터의 특징
  • 범용성(universality)
    • NOT, AND, OR 게이트 만으로 모든 계산 가능
    • NAND 게이트 만으로 모든 계산을 할 수 있다.
  • 계산가능성(computability)
    • Turing-computable : 튜링 머신으로 계산가능한 것
    • Halting Problem(정지 문제) : 튜링 머신으로 풀 수 없는 문제

컴퓨터의 할아버지 & 컴퓨터의 아버지

• 컴퓨터의 할아버지
  • Alan Turing - Turing Machine
    

    

• 컴퓨터의 아버지
  • John von Neumann
    • stored-program
      • a computer that stores programs in a memory
      • RAM과 CPU
    • Instruction Set Architecture
      • program is a set of instructions
      • Instruction으로 하드웨어를 구동
    • 작동 방법
      • 먼저 메모리에서 명령어들을 읽기
      • 명령어들을 IR(Insturction Register)에 저장
      • 피연산들을 메모리에서 읽기
      • internal register에 저장
      • 연산 실행
      • 연산 실행후 메모리에 결과 값 저장

운영체제, 컴퓨터 구조, bootstrap, interrupts, stoarge

• 운영체제도 프로그램
  • 항상 컴퓨터에서 실행되는 프로그램
  • application program 이 동작하기 위해 필요
  • process, resource, user interfaces 등을 관리하는 프로그램
• 컴퓨터 시스템의 구조
  • Hardware
  • Operating System
  • Application Program
  • User

• bootstrap program
  • 컴퓨터가 시작할때 실행되는 프로그램으로써 OS를 실행시키기 위한 프로그램
  • ROM 에 저장되어 있음
• Interrupts
  • I/O device 등에서 CPU 에 신호를 보내는 작업
• starge (용량, 속도 순)
  • register
  • cache
  • main memory(RAM)
  • solid-state disk
  • hard disk
  • optical disk
  • magnetic tapes
• OS의 대부분은 I/O를 관리하는데 사용

CPU(Processor), Core, Thread

• Definitions of Computer System Components
  • CPU : The hardware that executes instructions.
  • Processor : A physical chip that contains one or more CPUs.
  • Core : The back computation unit of the CPU.
  • Multicore - Including multiple computing cores on the same CPU
  • Multiprocessor - Including multiple processors.
  • 프로세서 - CPU라고도 불림
    • 프로세서가 여러개 -> Multiprocessor
  • 코어 - CPU에 있는 작업 연산 단위
    • 듀얼 코어, 4코어, 8코어 -> Multicore
  • 쓰레드 - 실제 프로세스의 연산 단위
    • 2코어 4 쓰레드, 4코어 8 쓰레드 등
• Symmetric multiprocessing (SMP)
  • The most common multiprocessor systems,
    • in which each peer CPU processor performs all tasks.

• Multi-core design
  • with several cores on the same processor chip.

Multi- 정리

• Multi-processing
  • 여기서 말하는 processing 은 processor 를 뜻하는 것임
  • 다수의 프로세서가 협력적으로 작업을 동시에 처리하는 것
  • 각각의 프로세서가 다수의 작업을 처리
  • 하나의 프로세서가 고장이 났을때 해당 작업은 정지되지 않음
• Multi-programming
  • 여러 개의 프로그램을 동시에 실행하는 것
  • 낭비되는 시간동안 다른 프로세스를 수행하는 것
  • 예를 들어 프로그램 실행 도중 I/O interrupt가 발생하면, 해당 프로세스는 응답을 대기하고, 그 사이 다른 프로세스를 실행하여 CPU 활용을 늘리는 것
  • runs more than one program at a time
  • keeps several processes in memory simultaneously
  • to increase CPU utilization
• Multi-tasking
  • multi-programming의 확장 개념
  • 다수의 task(process)를 스케줄링에 의해 번갈아 수행하는 것으로써 사용자가 동시에 여러 Task를 수행할 수 있게 해줌
  • multi-programming 과의 다른 점은 Multi-programming CPU 활용을 늘리다는점
  • Multi-tasking 은 스케줄러에 의해 정해진 시간동안 번갈아 가면서 Task를 처리한다는 점입니다.
  • a logical extension of multiprogramming.
    • in which CPU switches jobs so frequently that users can interact with each job while it is running
  • CPU scheduling
    • If several processes are ready to run at the same time, the system must choose which process will run next
• Multi-threading
  • 하나의 작업(하나의 process) 를 여러 쓰레드로 병렬처리
    • 메모리를 공유함으로써 context-switching 같은 오베해드를 줄임, 효율성
    • 하나의 쓰레드가 실패하면, 프로세스가 종료
    • 동기화 문제
  • Multi-processing 은 여러개의 processor들로 여러 작업을 병렬 처리
    • 하나의 processor가 실패해도 다른 processor가 작업을 실행, 안정성

OS operations, Virtualization, Computing Environments

• OS operations
  • 2가지 존재
    • user mode
    • kernel mode
  • kernel mode 에서만 HW을 제어하도록 함으로써 시스템의 보안을 증대
• Virtualization
  • 가상화
  • 하나의 machine에서 다양한 OS 를 제공함

• Computing Environments
  • Traditional Computing
  • Mobile Computing : Android
  • Client-Server Computing
  • Peer-to-Peer Computing : Torrent
  • Cloud Computing : AWS, Azure, GCP
  • Real-Time Embedded Systems : Raspberry pi

Operating System Services, User and Operating-System Interface, System Calls

• Operating System Services
  • OS provides an environment for the execution of programs
  • User interface
  • Program execution
  • I/O operation
  • File-system manipulation
  • Communications
  • Error detection
  • Resource allocation
  • Logging
  • Protection and security

• Operating-System Interface
  • Three fundamental ways for users to interface with the OS
    • CLI: command line interface, or command interpreter
      • knownasshells:sh,bash,csh,tcsh,zsh,etc.
    • GUI: graphical user interface
      • Windows, Aqua for MacOS, KDE/GNOME for Linux, etc.
    • Touch-Screen Interface
      • Android UI, iPhone UI, etc.
• System Calls
  • 응용프로그램들과 OS하고 의사소통하는 방법
  • OS의 API = System Call
  • API 라고 불리기도 했음 (현재는 API 정의가 확장됨)
  • 라이브러리들로 정의 되어있음
    • 예) standard C library 로 system call interface 호출
  • provide an interface to the services made available by the OS.
  • API: Application Programming Interface