[ 운영체제 ] 커널 / 커널모드 & 유저모드

들어가기

컴퓨터 과학에서 커널 (kernel)은 운영체제의 핵심 부분으로서, 운영체제의 다른 부분 및 응용프로그램 수행에 필요한 여러가지 서비스를 제공한다.

 

📌 커널이란? 

1. 운영체제의 핵심을 구성하는 프로그램.

2. 부팅하는 동안 메모리를 로드하는 운영체제의 첫 부분이다.

3. 운영체제를 실행하는 중에는 읽어들일 수 없는 다양한 모듈로 구성되어 있다.

지속적으로 읽어들일 수 있어야한다는데 왜지?

=> 운영체제의 핵심 부분으로 운영체제에 다양한 서비스를 지원하기 위해 상호작용이 되어야 하기 때문이다.

 

커널이 메모리 영역에서 보호되는 이유?

=> 강력한 권한을 가지기 때문에 보안을 위해 응용프로그램이 접근할 수 없는 메모리 영역에서 보호된다.

---

🤍 커널의 역할

1. 보안

2. 자원 관리

3. 추상화

자원 (resource) 이 뭔가?

CPU, 메모리, 가상메모리, 키보드 마우스 등이 있고, 추상적으로는 쓰레드, 패킷, 프로토콜, 테스크를 말한다.

- 쓰레드 ( thread ) : 
어떠한 프로그램 내에서, 특히 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위.
일반적으로 한 프로그램은 하나의 thread를 가지고 있지만, 프로그램 환경에 따라 둘 이상의 thread를 동시에 실행할 수 있다.

- 패킷 ( packet ) :
네트워크를 통해 전송하기 쉽도록 자른 데이터의 전송 단위.
본래는 소포를 뜻하는 용어로, 소화물을 뜻하는 패키지 ( package ) 와 덩어리를 뜻하는 버킷 ( bucket ) 의 합성어이다.

- 프로토콜 ( protocol ) :
복수의 컴퓨터 사이나 중앙 컴퓨터와 단말기 사이에서 데이터 통신을 원할하게 하기 위해 필요한 통신 규약.
신호 송신의 순서, 데이터의 표현법, 오류 검출법 등을 정한다.

- 테스크 ( task ) : 
작업 단위의 실행 단위.
대안이 되는 용어로 프로세스, 경량 프로세스, 스레드 (실행을 위한), 스템, 요청, 쿼리 (작업을 위한) 가 있다.

간단히 말해서 컴퓨터 내부의 모든 것이라고 생각하면 된다.

 

운영체제의 커널은 이러한 자원을 효율적으로 관리하기 위해서 어떤 업무를 하나?

=> CPU 스케줄링, 메모리 관리, 입출력 관리, 파일 시스템 관리 등의 업무를 수행한다.

CPU 스케줄링이란?
컴퓨터 자원을 효율적으로 관리하기 위해 프로세스들 사이에서 CPU 할당을 위한 우선순위를 관리하는 일.

---

📌 디바이스 드라이버란?

디바이스 드라이버란 커널 공간에서 응용프로그램과 하드웨어 간의 데이터를 주고 받게 해주는 프로그램이다.

이것은 정의되어 있는 인터페이스로 커널과 연결된다.

https://dalgong2.tistory.com/

리눅스에서는 모든 것을 파일로 관리한다.

연결되어 있는 하드웨어 장치 또한, 장치 파일 ( Device file )로 관리하는 것이다.

이러한 장치 파일에 대한 컨트롤을 디바이스 드라이버 ( Device Driver )프로그램을 통해 관리하는 것이다.

이때, 디바이스 드라이버는 정해져 있는 하드웨어 제어 함수를 통해 장치를 제어하도록 작성된다.

 

정리하자면

특정 하드웨어나 장치를 제어하기 위한 커널의 일부분으로 동작하는 프로그램이다.

컴퓨터를 구성하는 다양한 입출력 장치마다 각각 장치 드라이버가 프로그램 커널에 통합되어 실행된다.

 

쉬운 예시

우리가 쓰는 모든 입출력장치 ( 블루투스 키보드, 유선 모니터, 마우스, 복합기 등 )와 컴퓨터 ( OS )가 서로 알아들을 수 있게  통역해주는 역할.

 

어려운 예시

컴퓨터의 버스나 통신 시스템을 이용하여 하드웨어와 커널 사이에서 명령어나 데이터를 전달해주는 역할.

 

디바이스 드라이버가 필요로 하는 것

장치에 의존적 ( 장치마다 작동하는게 다 달라서 )이기 때문에 각각 장치마다 장치 드라이버가 존재한다.

---

📌 유저모드와 커널모드란?

왜 모드가 2가지이지?

커널에서 중요한 자원을 관리하기 때문에, 사용자가 그 중요한 자원에 접근하지 못하도록 모드로 2가지로 나눈 것이다.

 

✨ 유저 모드

1. 유저 (사용자)가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두고, 프로그램의 자원에 함부로 침범하지 못하는 코드이다.

2. 이 모드에서 코드를 작성하고, 프로세스를 실행하는 등의 행동을 할 수 있다.

3. 요약해서, 유저 어플리케이션 코드가 유저모드에서 실행된다.

✨ 커널 모드

1. 모든 자원 (드라이버, 메모리, CPU 등)에 접근, 명령을 할 수 있다.

2. 유저 모드와는 비교가 안되게 컴퓨터 내부에서 모든 것을 할 수 있다.

🤍 유저 모드와 커널 모드의 전환

프로세스가 실행되는 동안에 프로세스는 수없이 유저모드와 커널모드를 왔다갔다 하면서 실행된다.

 

유저 모드 -> 커널 모드 요청	프로세스가 유저모드에서 실행되다가 특별한 요청이 필요할 때 system call을 이용하여 커널에 요청한다.
커널 모드 -> 유저 모드로 반환	system call의 요청을 받은 커널이 그 요청에 대한 일을 하고 결과값을 system call의 리턴 값으로 전해준다.

ex ) 프로세스가 실행되고 있는 중에 라이브러리 함수인 fopen 함수를 호출하다고 가정했을 때.

=>

1. fopen 내부에서 system call인 open을 호출하면서 커널 모드로 넘어간다.

2. open에 대한 입력값이 커널로 전달이 되고, 해당 일을 완료하고 커널에서 return을 해주면서 유저모드로 돌아간다.

화살표의 흐름으로 돌아가게 된다. 이 흐름이 수없이 반복되면서 프로세스가 실행된다.

https://blockdmask.tistory.com/69

---

📌 전체적인 흐름

∎ 흐름 1

유저 모드에서 실행되고 있는 유저 어플리케이션에서 system call 이나 라이브러리 함수를 통해서 I/O 요청

1. 커널 모드로 전환. 커널의 I/O 관리자가 키보드나 모니터의 장치 드라이버에 요청.

2. 장치 드라이버에서 키보드나 모니터에서 받은 return 값을 커널에 return.

3. 커널은 해당 값을 user application 으로 return.

4. 유저 모드로 전환.

∎ 흐름 2

유저 모드에서 C언어로 작업 중 malloc 을 통해서 메모리 할당을 받으려고 system call 호출.

1. 커널 모드로 전환. 메모리 [관리 할당 or 잘못된 접근] return 값을 user application 으로 전달.

2. 유저 모드로 전환.

Note!
malloc 이 뭔가?
C 언어 중 동적 할당이 malloc 함수이다.

함수란?
하나의 특별한 목적의 작업을 수행하기 위해 독립적으로 설계된 코드의 집합.

동적 할당은 컴퓨터 프로그래밍에서 실행 시간 동안 사용할 메모리 공간을 할당하는 것을 말한다.
사용이 끝나면 운영체제가 쓸 수 있도록 반납하고 다음에 요구가 온다면 다시 할당받을 수 있다.

그럼 정적 할당도 있겠지?
정적 할당은 실행하는 순간 프로그램이 사용할 메모리의 크기를 고려하여 메모리의 할당이 이루어진다.

---

- CPU 스케줄링 설명.

https://jihyeong-ji99hy99.tistory.com/

[운영체제] CPU 스케줄링이란?

- 디바이스 드라이버 설명.

https://dalgong2.tistory.com/

디바이스 드라이버에 대한 이해

- C 언어 중 동적할당 (malloc) 설명.

https://m.blog.naver.com/

C언어 - 동적할당(malloc)

- 커널 / 커널 모드 & 유저 모드 설명

https://blockdmask.tistory.com/

[운영체제] 유저모드와 커널모드에 대해서.