[운영체제] 커널과 인터페이스

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시스템 호출(System Call)

시스템 호출은 커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스다. 커널은 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 사용자나 응용 프로그램이 자원에 직접 접근하는 것을 차단한다. 따라서 응용 프로그램이 자원을 이용하려면 시스템 호출이라는 인터페이스를 이용하여 접근해야 한다. 보통 시스템 호출을 직접 사용하기보다는, 해당 시스템 호출을 사용해서 만든 각 언어별 라이브러리(API)를 사용한다.
 

위 그림은 C언어로 만든 응용 프로그램에서 시스템 호출을 사용하는 예제이다. 이때, sys_open()이라는 시스템 호출을 직접 사용하는 것이 아닌 C언어 라이브러리에서 제공해 주는 open()을 사용한다.
 

커널의 역할과 종류

 
커널의 역할
 

• 프로세스 관리: 프로세스에 CPU를 배분하고 작업에 필요한 제반 환경 제공
• 메모리 관리: 프로세스에 작업 공간을 배치하고 실제 메모리보다 큰 가상공간을 제공
• 파일 시스템 관리: 데이터를 저장하고 접근할 수 있는 인터페이스 제공
• 입출력 관리: 필요한 입출력 서비스 제공
• 프로세스 간 통신 관리: 공동 작업을 위한 각 프로세스 간 통신 환경 제공

 
커널의 구조
 

단일형 구조 커널: 초창기 운영체제의 구조로, 커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈이 구분 없이 하나로 구성
 

• 모듈 간의 통신 비용이 줄어들어 효율적인 운영이 가능하지만 높은 상호 의존성과 관련된 문제들이 많이 발생

계층형 구조 커널: 비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어서 하나의 계층으로 만들고 계층 간의 통신을 통해 운영체제 구현
 

• 오류가 발생했을 때 전체 커널을 고치는 것이 아니라 해당 계층만 따로 수정할 수 있다.
• 윈도우 OS를 비롯해 오늘날의 운영체제 대부분이 이 구조로 되어 있다.

마이크로 구조 커널: 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스 간 통신 관리 등 기본적인 부분을 제외하고 나머지는 사용자 영역에 구현
 

• 계층형 구조 커널의 경우 다양한 하드웨어와 사용자의 요구를 수용하기 위해 더 많은 계층과 기능을 추가한 형태가 되었다. 이로 인해 커널의 크기가 계속 커지고 필요한 하드웨어의 용량도 늘어났으며, 커널 소스가 방대해짐에 따라 오류를 잡기도 어려워졌다.
• 이러한 문제를 해결하기 위해 가장 기본적인 기능들만 커널 영역에 구현하고 나머지는 사용자 영역에 구현했다.
• 애플의 PC 운영체제인 OS X와 모바일 운영체제인 iOS가 해당 커널 구조를 가진다.

 

💡 사용자 영역? 사용자 모드? 커널 영역? 커널 모드?

 

커널 영역과 사용자 영역
 

• 커널 영역이란 커널이 작업하는 영역으로 CPU 작업 스케줄이나 하드웨어를 제어하는 디바이스 드라이버와 메모리를 관리하는 기능들을 수행한다.
• 사용자 영역은 일반 프로그램이 실행되는 영역이다. 커널이 작업해야하는 일을 요청하기 위해서는 시스템 호출을 사용해야 한다.

CPU Protection Rings
 

CPU도 권한 모드라는 것을 가지고 있다.
 

• 사용자 모드: 사용자 영역의 응용 프로그램이 사용하는 모드이다.
• 커널 모드: 커널 영역의 OS가 사용하는 모드이다. 특권 명령어 실행과 원하는 작업 수행을 위한 자원 접근을 가능케 한다.

 
위 개념들의 관점으로 본 응용 프로그램이 실행되는 과정은 다음과 같다.

1. 사용자 모드에서 응용 프로그램이 실행된다.
2. 운영체제 기능이 필요한 API를 호출한다.
3. 해당 API안에 존재하는 시스템 콜 함수가 호출되어서 커널 모드로 변경된다.
4. 커널 영역의 OS 내부에서 해당 명령이 실행된다.
5. 실행이 완료되었으면 다시 사용자 모드로 전환되고 API 호출 이후의 작업을 계속해서 실행한다.