운영체제

컴퓨터는 단순한 기계로, 응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 정보를 주고 받을 수 있습니다. 하지만 이 컴퓨터가 무언가 유용한 일을 하려면 관리자가 필요한데, 이것이 운영체제의 역할입니다. 운영체제5는 일반적으로 OSOperating System라고 불리우며 이 용어는 컴퓨터 과학 분야에서 오랜 기간 동안 사용되어왔으며, 컴퓨터 하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 중재자 역할을 하는 소프트웨어 시스템을 가리키는 일반적인 용어입니다.

운영체제는 마치 컴퓨터의 관리자처럼 동작합니다. 여러 응용 프로그램이 컴퓨터를 사용하려고 할 때, 운영체제는 그들 사이에서 일어나는 모든 것을 조율합니다. 예를 들어, 어떤 프로그램이 CPU를 사용하려고 하면, 운영체제는 어떤 순서로 CPU를 할당할지 결정하고, 메모리 관리, 파일 접근 권한, 입출력 장치와의 상호 작용을 관리합니다.

컴퓨터가 아니라고 하더라도 하드웨어 장치를 조작하기 위한 일련의 동작들도 모두 운영체제의 일종이라고 할 수 있습니다.

운영체제의 동작

운영체제에 대해 알아 보기전 운영체제, 응용 프로그램 그리고 하드웨어 간의 동작과 관련된 기본 개념을 간단하게 설명하겠습니다.

동작-구성
동작 구성

운영 체제는 사용자의 요청을 시작으로 하드웨어, 응용 프로그램과 같은 형태로 동작하게 됩니다.

  • 하드웨어(Hardware)
    • 하드웨어는 컴퓨터 시스템의 물리적인 부분을 나타냅니다. 이에는 중앙 처리 장치(CPU), 메모리(RAM), 디스크 드라이브, 그래픽 카드, 네트워크 카드 등이 포함됩니다.
    • 하드웨어는 데이터를 저장하고 처리하는 데 사용됩니다.
  • 운영체제(Operating System)
    • 운영체제는 하드웨어를 관리하고 응용 프로그램이 하드웨어 자원을 사용할 수 있도록 도와줍니다.
    • 자원 할당, 프로세스 관리, 파일 시스템 관리, 네트워킹 등의 기능을 수행합니다.
    • 사용자 및 응용 프로그램과 하드웨어 간의 중개자 역할을 합니다.
  • 응용 프로그램(Application)
    • 응용 프로그램은 사용자가 컴퓨터에서 실행하는 소프트웨어입니다. 워드 프로세서, 웹 브라우저, 게임, 그래픽 디자인 소프트웨어 등이 예시입니다.
    • 응용 프로그램은 운영체제 위에서 동작하며, 운영체제가 제공하는 서비스와 하드웨어 자원을 사용하여 작동합니다.

이 동작은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

  • 응용 프로그램은 운영체제 위에서 실행됩니다.
  • 응용 프로그램은 운영체제에 요청하여 하드웨어 자원을 할당하고 사용합니다.
  • 운영체제는 여러 응용 프로그램 간의 자원 공유 및 충돌 방지를 관리합니다.
  • 이러한 상호 작용을 통해 사용자는 응용 프로그램을 실행하고 하드웨어를 활용할 수 있습니다.
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운영 체제의 구성 요소

운영체제의 구성 요소는 다음과 같습니다. 이렇게 구분된 각 요소는 함께 작동하여 컴퓨터 시스템의 부팅, 운영, 사용자 인터페이스를 관리하고 제어합니다. 이를 간단히 설명하겠습니다.

커널

커널(Kernel)은 운영체제의 핵심 부분으로, 하드웨어와 상호 작용하며 다른 소프트웨어와 통신하는 역할을 합니다. 메모리 관리, 프로세스 관리, 입출력 관리 등 핵심 기능을 수행합니다.

  • 메모리 관리(Memory Management): 메모리 관리는 시스템의 물리적 및 가상 메모리를 효율적으로 할당하고 관리하는 역할을 합니다. 이는 프로그램이 메모리를 사용하고 공유하는 방법을 관리합니다.
  • 프로세스 관리(Process Management): 프로세스 관리는 응용 프로그램을 실행하고 종료하는 작업을 관리합니다. 이는 프로세스 생성, 중지, 일시 중지, 스케줄링 등을 포함합니다.
  • 입출력 관리(I/O Management): 입출력 관리는 입력 및 출력 장치와 상호 작용하는 방법을 관리합니다. 이는 키보드, 마우스, 디스크 드라이브, 네트워크 등과의 데이터 전송을 담당합니다.
  • 시스템 호출(System Calls): 프로그램이 커널의 기능을 호출할 수 있도록 시스템 호출을 제공합니다. 이를 통해 응용 프로그램은 커널의 서비스를 이용할 수 있습니다.
  • 하드웨어 관리(Hardware Management): 하드웨어를 추상화하여 응용 프로그램이 특정 하드웨어에 종속되지 않도록 합니다. 하드웨어 장치의 동작을 제어하기 위한 하드웨어 드라이버를 관리합니다.
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쉘(Shell)은 운영체제에서 사용자와 컴퓨터 간의 상호 작용을 가능하게 하는 인터페이스 역할을 하는 프로그램입니다. 쉘은 사용자가 명령어를 입력하고 실행하며, 이를 해석하고 운영체제의 서비스를 호출합니다. 다음은 쉘의 주요 기능과 역할입니다.

  • 명령어 해석(Interpretation): 쉘은 사용자로부터 입력된 명령어와 요청을 읽고 해석합니다. 명령어의 구문을 분석하고 실행해야 할 프로그램 또는 명령을 판별합니다.
  • 명령어 실행(Execution): 쉘은 사용자가 입력한 명령어나 스크립트를 실행합니다. 이때 쉘은 해당 명령어를 운영체제에게 전달하고 실행합니다.
  • 환경 변수 및 경로 설정(Environment Variables and Paths): 쉘은 환경 변수를 설정하고 관리합니다. 환경 변수는 시스템의 동작을 제어하고 사용자 환경을 설정하는 데 사용됩니다. 경로(path) 설정은 실행 가능한 프로그램을 찾는 데 도움을 줍니다.
  • 변수 및 제어 구조 지원(Variable and Control Structure Support): 쉘은 변수를 정의하고 사용하여 데이터를 저장하고 전달할 수 있습니다. 또한, 조건문과 반복문과 같은 제어 구조를 지원하여 스크립트 작성을 가능하게 합니다.
  • 파일 및 디렉토리 조작(File and Directory Manipulation): 쉘은 파일 및 디렉토리를 생성, 복사, 삭제, 이동 및 관리하는 데 사용됩니다. 사용자는 파일 및 디렉토리를 쉽게 다룰 수 있습니다.
  • 백그라운드 작업 관리(Background Job Management): 쉘은 프로그램을 백그라운드에서 실행하거나 중단하고 다시 시작할 수 있는 기능을 제공합니다. 이를 통해 동시에 여러 작업을 처리할 수 있습니다.
  • 리다이렉션 및 파이프(Redirection and Pipes): 쉘은 명령의 입출력을 관리합니다. 파일로의 출력, 파일로부터의 입력, 명령어 간의 파이프를 통한 데이터 전달 등을 제어합니다.
  • 사용자 정의 함수 및 스크립트 지원(User-Defined Functions and Scripting Support): 쉘은 사용자가 자신만의 함수와 스크립트를 작성하고 실행할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 사용자 지정 작업을 자동화할 수 있습니다.

쉘에는 다양한 종류가 있으며, 리눅스 및 유닉스 시스템에서는 Bash(Bourne-Again Shell)가 가장 널리 사용됩니다. 다른 쉘로는 Zsh6, Fish, PowerShell7 등이 있습니다. 사용자는 쉘을 선택하여 사용할 수 있으며, 각 쉘은 고유한 기능과 특성을 가지고 있습니다.

시스템 프로그램 | 부트 로더

시스템 프로그램 또는 부트 로더(System Program or Boot Loader)는 컴퓨터가 시작될 때 실행되는 프로그램으로, 컴퓨터 시스템의 초기화와 운영체제(OS)를 로드하고 시작하기 위한 초기 설정 및 관리를 담당하는 중요한 역할을 수행합니다. 다음은 시스템 프로그램 또는 부트 로더의 주요 역할입니다.

  • 부팅 프로세스 초기화(Boot Process Initialization): 시스템 프로그램은 컴퓨터의 전원이 켜질 때 실행됩니다. 이때 초기적인 하드웨어 설정을 수행하여 컴퓨터 시스템을 사용할 수 있도록 준비합니다.
  • 부트 디바이스 선택(Boot Device Selection): 부트 로더는 부팅 디바이스를 선택합니다. 이 디바이스는 보통 하드 디스크, SSD, CD-ROM, USB 드라이브 등이 될 수 있으며, 그 중에서도 부트 가능한 운영체제가 설치된 디바이스를 선택합니다.
  • 운영체제 로드(Operating System Loading): 선택한 부트 디바이스에서 운영체제의 부트 이미지를 읽어 메모리로 로드합니다. 이 부트 이미지에는 운영체제의 핵심 부분, 즉 커널(kernel)이 포함되어 있습니다.
  • 커널 초기화(Kernel Initialization): 부트 로더는 로드한 커널을 실행시킵니다. 커널은 운영체제의 핵심이며, 하드웨어와 상호 작용하며 운영체제의 다른 부분과 통신하는 역할을 합니다.
  • 부트 파라미터 전달(Boot Parameter Passing): 부트 로더는 운영체제에 부트 시 필요한 매개변수와 구성 정보를 전달합니다. 이러한 정보는 커널이 시스템을 초기화하고 설정하는 데 사용됩니다.
  • 사용자 인터페이스 제공(Optional): 몇몇 부트 로더는 사용자에게 부팅 옵션을 선택하도록 하는 사용자 인터페이스를 제공합니다. 이를 통해 다중 부팅 시스템에서 운영체제를 선택할 수 있습니다.
  • 오류 처리(Error Handling): 부트 로더는 부팅 중 발생한 오류를 감지하고 적절한 오류 처리를 수행합니다. 이를 통해 문제가 있는 경우 사용자에게 메시지를 표시하거나 자동 복구를 시도할 수 있습니다.
  • 운영체제로 제어 양도(Control Transfer to OS): 부트 로더는 모든 초기화 및 설정 작업이 완료되면 운영체제에 제어를 양도합니다. 이후 운영체제가 사용자의 명령을 수행하고 시스템을 관리합니다.

주요한 시스템 프로그램 중 하나인 부트 로더는 컴퓨터 시스템의 부팅 프로세스를 초기화하고 운영체제를 로드하여 컴퓨터를 사용 가능한 상태로 만들어줍니다. 이는 컴퓨터의 동작을 시작하기 위한 핵심 단계 중 하나이며, 시스템의 안정성과 정상적인 동작을 유지하는 데 필수적입니다.

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운영 체제의 종류

운영체제는 여러 종류가 있으며, 각각은 특정 용도와 요구 사항에 맞게 설계되었습니다. 현재 주로 활용되고 있는 대표적인 운영체제들은 다음과 같습니다.

참고: 이 외에도 특수한 용도를 위해 여러 다른 운영체제가 존재하며, 각각은 특정한 기능 및 요구 사항을 충족시키기 위해 설계되었습니다.

서버 운영체제

대규모 서버 컴퓨터에서 네트워크 및 서비스 제공을 위한 운영체제로 사용됩니다. 데이터 센터, 웹 서버, 데이터베이스 서버 등에서 사용됩니다. 높은 성능, 안정성, 다중 사용자 지원, 보안 강화, 네트워크 관리 기능 포함됩니다.

대표적으로 다음과 같은 종류가 주로 사용됩니다.

  • Linux: 개방형 소스 운영체제로, 다양한 배포판이 존재하며 서버 및 개발 환경에서 널리 사용됩니다. 이 중 몇 가지 대표적인 배포판은 다음과 같습니다. Linux 알아보기
    • Debian: Debian은 안정성과 신뢰성으로 유명한 Linux 배포판으로, 개방형 소스 기반입니다. 이 배포판은 Debian 패키지 관리 시스템을 사용하여 소프트웨어를 쉽게 설치 및 업데이트할 수 있으며, 서버 및 개발 환경에서 널리 사용됩니다.
    • Ubuntu: Ubuntu는 Debian을 기반으로 한 또 다른 인기 있는 Linux 배포판입니다. 사용자 친화적인 인터페이스와 다양한 패키지 지원으로 빠르게 성장하고 있습니다. 서버 환경에서도 사용되며, 장기 지원 버전(LTS)과 일반 버전이 제공됩니다.
    • CentOS: CentOS는 Red Hat Enterprise Linux (RHEL)의 무료 버전으로, 안정성과 보안성을 중요시하는 기업 환경에서 널리 사용됩니다. CentOS 8 이후부터 CentOS Stream으로 전환되었으며, RHEL 8과의 호환성을 제공합니다.
    • Fedora: Fedora는 Red Hat 커뮤니티에서 개발하는 bleeding-edge(최신 기술을 빠르게 적용하는) Linux 배포판입니다. 주로 개발자와 엔드 유저를 대상으로 하며, 최신 소프트웨어와 기술을 실험하고 싶은 사용자에게 적합합니다.
    • 이외에도 Arch Linux, Gentoo, Slackware, Manjaro, openSUSE, Mageia, elementary OS, Zorin OS, Kali Linux, Parrot OS와 같은 다양한 배포판이 존재합니다.
  • BSD (Berkeley Software Distribution): Unix와 관련된 운영체제 패밀리로, 서버 및 보안 분야에서 사용8됩니다. 아래는 대표적인 버전들입니다.
    • FreeBSD: FreeBSD는 BSD 운영체제 패밀리의 일부로, 고성능 서버 및 네트워크 장비에 많이 사용됩니다. 특히 안정성과 성능을 강조하며, 오픈 소스 커뮤니티에 의해 개발됩니다.
    • OpenBSD: OpenBSD는 보안에 특화된 BSD 배포판으로, 강력한 보안 기능과 코드 감사를 중요시합니다. 네트워크 보안 장비나 보안 관련 서버에서 널리 사용됩니다.
    • NetBSD: NetBSD는 다양한 플랫폼에서 동작하는 유연한 운영체제로, 임베디드 시스템부터 대규모 서버까지 다양한 환경에서 사용됩니다. 크로스 플랫폼 호환성을 강조하며, 이식성이 뛰어납니다.
  • Windows Server: Microsoft 사가 개발한 서버용 운영체제로, Windows 기반 시스템에 적합한 서버 솔루션을 제공합니다. 버전에는 Windows Server 2008, 2012, 2016, 2019 등이 있으며 기업 환경에서 널리 사용됩니다. 기업 환경에서 네트워크, 웹 서비스, 데이터베이스 관리 등에 사용됩니다.
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모바일 운영체제

스마트폰, 태블릿, 스마트워치 등 모바일 기기에서 사용됩니다. 터치 스크린 지원, 모바일 앱 실행, 에너지 효율성, 모바일 네트워크 및 기기 간 통신을 위한 최적화되어 있습니다.

대표적으로 다음과 같은 종류가 있습니다.

  • Android: Google사가 개발한 모바일 운영체제로, 스마트폰 및 태블릿 디바이스에서 사용됩니다.
  • iOS 및 iPadOS: Apple사의 모바일 운영체제로, iPhone 및 iPad에서 사용됩니다.

데스크탑 운영체제

개인용 데스크탑 및 랩톱 컴퓨터에서 사용됩니다. 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 다양한 어플리케이션 및 소프트웨어 지원, 다중 작업 및 멀티미디어 기능이 제공됩니다.

대표적으로 다음과 같은 종류가 있습니다.

  • Windows: Microsoft사가 개발한 운영체제로, 주로 개인용 컴퓨터와 기업 환경에서 널리 사용됩니다. 다양한 버전이 존재하며, 예로는 Windows 10, Windows 11 등이 있습니다.
  • Unix 계열: 다중 사용자 및 다중 작업 환경을 지원하는 운영체제 패밀리입니다. 이를 기반으로 다양한 운영체제가 개발되었으며 대표적으로 다음과 같은 운영체제가 있습니다.
    • macOS: Apple사의 컴퓨터인 Macintosh에서 사용되는 운영체제로, 사용자 친화적인 인터페이스와 고유한 기능을 제공합니다.
    • Linux: 개방형 소스 운영체제로, 다양한 배포판이 존재합니다. Debian, Ubuntu, CentOS, Fedora, 등이 있으며 서버 및 개발 환경에서 널리 사용됩니다.
  • Chrome OS: Google사가 개발한 클라우드 중심의 운영체제로, Chromebook과 같은 디바이스에서 사용됩니다. 리눅스 커널을 기반으로 한 운영체제로 Unix의 직접적인 파생물이 아니지만, Unix와 비슷한 특성을 가지고 있어 일반적인 리눅스 배포판과는 사용 목적 및 구조상 차이가 있어 별도로 구분하여 설명하였습니다. Chrome OS는 주로 웹 브라우징 및 웹 애플리케이션 실행을 중심으로 설계되었습니다.
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임베디드 운영체제

임베디드 운영체제는 RTOS (Real-Time Operating System)라고 하며 실시간 응용 프로그램을 위한 운영체제로, 임베디드 시스템 및 제어 시스템에서 사용됩니다. 예를 들어, 스마트 TV, 자동차 제어 시스템, 스마트 홈 장치 등에 적용됩니다. 작은 크기, 낮은 리소스 요구, 실시간 기능, 안정성, 특정 하드웨어에 최적화되어 있습니다.

대표적으로 다음과 같은 종류가 있습니다.

  • VxWorks: VxWorks는 Wind River Systems가 개발한 실시간 운영체제 (RTOS)로서, 임베디드 시스템의 성능, 신뢰성 및 프로그램 규모에 적합한 특성들을 갖추고 있습니다. VxWorks는 특히 방위 산업, 통신, 항공우주, 자동차 및 산업용 자동화 분야에서 주로 사용됩니다.
  • QNX: QNX는 BlackBerry의 QNX Software Systems가 개발한 미션 크리티컬한 실시간 운영체제 (RTOS)로, 안정성과 성능에 비중을 두고 있는 시스템에 주로 사용됩니다. QNX는 자동차 인포테인먼트 시스템, 의료 기기, 통신 및 산업용 자동화 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

가상화 운영체제

가상화 운영체제는 하이퍼바이저(Hypervisor)라고도 하며, 가상 머신을 실행하는 데 사용됩니다. 이를 통해 하나의 물리적 컴퓨터에서 다양한 운영체제를 동시에 실행할 수 있습니다. 대표적으로 VMware, Xen, Hyper-V 등이 있습니다.

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