운영체제의 심장 

 

0. 운영체제 부팅과정

출처 : scaler

  1. 전원이 켜지면 BIOS(Basic Input/Output System)가 POST(Power-On Self Test)를 수행  
       → CPU, 메모리, 기타 하드웨어가 정상 작동하는지 점검
  2. BIOS는 부트로더(Bootloader)를 주기억장치(RAM)로 가져와 실행
  3. 부트로더는 하드디스크/SSD에서 운영체제 커널을 찾아 메모리에 적재  
       → 커널이 메모리에 올라가면서 시스템 제어를 인계받음
  4. 이후 사용자가 실행하는 일반 프로그램은 보조기억장치에 저장되며,  
       운영체제가 이를 메모리에 로딩해 프로세스로 실행함
  5. 커널은 메모리에 올라온 프로세스를 CPU에 할당  
       → CPU가 명령어를 해석하고 실행하며, 운영체제가 여러 프로세스에 CPU 시간을 분배

1. 커널(Kernel)의 역할

  • 하드웨어와 소프트웨어 애플리케이션 간 통신을 관리
  • 프로세스 관리 : CPU 스케줄링, 컨텍스트 스위칭, 프로세스 상태 제어
  • 메모리 관리 : 가상 메모리, 페이징, 메모리 할당 및 해제
  • 파일 시스템 관리 : 파일 생성/삭제, 디렉토리 구조, 권한 관리 등
  • 보안 관리 : 사용자 권한 검증, 접근 제어 리스트(ACL), 인증 등
  • 입출력(I/O) 관리

2. 커널 모드(Kernel Mode) vs 사용자 모드(User Mode)

운영체제는 안정성을 위해 작업을 두 모드로 나누어 실행한다.

 

  • 커널 모드: 하드웨어에 직접 접근 가능. 커널이나 장치 드라이버 코드가 이 모드에서 실행됨.
  • 사용자 모드: 일반 애플리케이션이 실행되는 모드. 커널의 기능을 직접 호출하지 못하고 시스템 콜을 통해 접근함.

3. 1 시스템 콜(System Call)

사용자 애플리케이션이 운영체제의 커널 기능을 사용하기 위해 호출하는 인터페이스 함수

→ 사용자 모드에서 직접 하드웨어나 커널 자원에 접근할 수 없기 때문에, 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환하여 요청을 처리

 

시스템 콜 동작 과정

  1. 사용자 애플리케이션이 시스템 콜 라이브러리 함수 호출 (ex. read(), fork(), exec())
  2. 라이브러리 함수는 시스템 콜 번호를 설정하고 커널 인터럽트(ex. int 0x80, syscall)를 발생시킴
  3. 커널 모드로 전환되어 해당 시스템 콜 처리
  4. 결과를 사용자 공간으로 반환하고 사용자 모드로 복귀

3. 2 인터럽트(Interrupt)

하드웨어나 소프트웨어가 CPU에게 즉시 처리해야 할 이벤트가 발생했음을 알리는 신호

커널은 인터럽트 발생 시, 현재 작업을 일시 중지하고 해당 요청을 우선 처리  
→ 효율적 자원 사용과 멀티태스킹을 위한 핵심 개념

 

인터럽트 동작 과정

  1.  장치나 프로그램이 인터럽트 신호(Interrupt Request, IRQ)를 발생시킴 
  2. CPU는 현재 실행 중인 작업의 상태(Context)를 저장  
  3. 해당 인터럽트에 등록된 인터럽트 핸들러(Interrupt Handler)를 실행 
  4.  처리 완료 후, 이전 작업 상태를 복원하고 다시 실행 계속

4. 커널(Kernel)의 유형

출처 : wikipedia

모놀리식 커널(monolithic kernel)

  • 운영체제의 모든 핵심 기능을 하나의 큰 커널 공간 내에서 실행되도록 설계
  • 프로세스/메모리/파일 시스템/네트워킹/드라이버 등 모든 기능이 커널 공간에서 동작
  • ex) 리눅스(Linux), 유닉스(Unix)

마이크로 커널(microkernel)

  • 커널은 최소한의 기능(예: 프로세스 스케줄링, 메모리 보호, IPC 등)만 제공하고, 파일 시스템, 네트워크, 드라이버 등은 사용자 공간에서 실행
  • 안정성과 모듈성이 뛰어나며, 개별 컴포넌트가 실패해도 시스템 전체가 영향을 받지 않음
  • 단점으로는 커널과 사용자 영역 간 통신 비용으로 인해 성능이 저하될 수 있음
  • ex) QNX

하이브리드 커널(hybrid kernel)

  • 모놀리식 커널과 마이크로 커널의 특징을 결합한 방식
  • 모놀리식과 성능 + 마이크로 모듈성 모두 제공 목표
  • 핵심 기능을 커널에 두지만, 가능한 모듈화하여 유지보수와 업데이트를 용이하게 함
  • 즉, 컴퓨터의 안정성을 높이고 모놀리식 커널에 가까운 성능을 제공하는게 목표
  • ex) 윈도우(Window), iOS 

5. 각 커널 아키텍처의 장단점

모놀리식 - 고성능
- 커널 내 함수 호출이 빠름
- 성숙한 구조 (예: Linux)		 - 하나의 컴포넌트 오류가 전체 시스템에 영향
- 디버깅과 유지보수 어려움
마이크로커널 - 높은 안정성
- 모듈화된 구조로 유지보수 용이
- 하나의 컴포넌트 실패 시 전체 시스템 영향 적음		 - IPC 비용으로 성능 저하
- 구현 복잡도 증가
하이브리드 커널 - 모놀리식에 가까운 성능
- 일부 모듈화로 유지보수와 확장성 확보		 - 구조가 복잡하고 구현마다 성능/안정성 차이 있음

 

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