[운영체제] 02. 운영체제 구조와 서비스

[시스템 콜 동작 흐름]

사용자 프로그램        C 라이브러리         커널
     |                    |                  |
     |-- open() 호출 ---->|                  |
     |                    |-- 레지스터에       |
     |                    |   시스템 콜 번호   |
     |                    |   설정            |
     |                    |                  |
     |                    |-- trap 명령어 --->|
     |                    |   (모드 전환)      |
     |                    |                  |-- 시스템 콜 테이블
     |                    |                  |   에서 핸들러 조회
     |                    |                  |
     |                    |                  |-- sys_open() 실행
     |                    |                  |
     |                    |<-- 결과 반환 -----|
     |<-- fd 반환 --------|   (모드 복원)      |
     |                    |                  |

// POSIX API를 사용한 파일 복사 예시
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 4096

int main(int argc, char *argv[]) {
    int src_fd, dst_fd;
    ssize_t bytes_read;
    char buffer[BUF_SIZE];

    // open() - 파일 시스템 관련 시스템 콜
    src_fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (src_fd == -1) {
        perror("원본 파일 열기 실패");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    dst_fd = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (dst_fd == -1) {
        perror("대상 파일 생성 실패");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // read(), write() - I/O 관련 시스템 콜
    while ((bytes_read = read(src_fd, buffer, BUF_SIZE)) > 0) {
        if (write(dst_fd, buffer, bytes_read) != bytes_read) {
            perror("쓰기 실패");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    // close() - 파일 디스크립터 해제 시스템 콜
    close(src_fd);
    close(dst_fd);

    return 0;
}

[모놀리식 커널]

+------------------------------------------+
|             사용자 프로그램                 |
+------------------------------------------+
|              시스템 콜 인터페이스           |
+------------------------------------------+
|                                          |
|  파일 시스템 | 프로세스 관리 | 메모리 관리  |
|  네트워킹    | 장치 드라이버  | I/O 관리   |
|                                          |
|        모두 커널 공간에서 실행              |
+------------------------------------------+
|               하드웨어                     |
+------------------------------------------+

예: 전통적인 UNIX, Linux

[계층형 구조]

+-------------------+
| 계층 N: 사용자 UI  |
+-------------------+
| 계층 N-1          |
+-------------------+
|       ...         |
+-------------------+
| 계층 1: 메모리 관리|
+-------------------+
| 계층 0: 하드웨어   |
+-------------------+

각 계층은 아래 계층만 호출 가능

[마이크로커널 구조]

사용자 공간:
+--------+ +----------+ +---------+ +--------+
|파일    | |장치      | |네트워크  | |메모리  |
|서버    | |드라이버   | |서버     | |서버    |
+--------+ +----------+ +---------+ +--------+
     |          |            |          |
+------------------------------------------+
|  마이크로커널: IPC + 기본 스케줄링 + 메모리 |
+------------------------------------------+
|               하드웨어                     |
+------------------------------------------+

예: Mach, QNX, MINIX 3

[macOS/iOS의 XNU 커널]

+------------------------------------------+
|         사용자 경험 계층 (Aqua/Cocoa)      |
+------------------------------------------+
|         응용 프레임워크 (Core Foundation)   |
+------------------------------------------+
|              커널 환경                     |
|  +--------+  +--------+  +---------+     |
|  | Mach   |  | BSD    |  | I/O Kit |     |
|  | (IPC,  |  | (POSIX |  | (드라이  |     |
|  | 스레드, |  |  API,  |  |  버)    |     |
|  | VM)    |  | 네트워크|  |         |     |
|  +--------+  +--------+  +---------+     |
+------------------------------------------+
|               하드웨어                     |
+------------------------------------------+

// Linux 커널 모듈 예시 (hello.c)
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Example");
MODULE_DESCRIPTION("Hello World 커널 모듈");

// 모듈 로드 시 호출
static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel World!\n");
    return 0;
}

// 모듈 언로드 시 호출
static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel World!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

# 커널 모듈 관리 명령어
sudo insmod hello.ko    # 모듈 로드
lsmod                   # 로드된 모듈 목록
sudo rmmod hello        # 모듈 언로드
modinfo hello.ko        # 모듈 정보 확인

[부팅 과정]

1. 전원 ON
      |
      v
2. BIOS/UEFI 실행 (펌웨어)
   - POST(Power-On Self Test) 수행
   - 하드웨어 초기화
      |
      v
3. 부트 로더 실행 (GRUB 등)
   - 부트 디스크의 MBR/GPT에서 로드
   - 커널 이미지 선택
      |
      v
4. 커널 로드 및 초기화
   - 하드웨어 탐지
   - 드라이버 초기화
   - 루트 파일 시스템 마운트
      |
      v
5. init/systemd 실행 (PID 1)
   - 시스템 서비스 시작
   - 로그인 프롬프트 제공

# GRUB 설정 파일 예시 (/boot/grub/grub.cfg의 일부)
menuentry 'Ubuntu' {
    set root='(hd0,gpt2)'
    linux /vmlinuz root=/dev/sda2 ro quiet splash
    initrd /initrd.img
}

menuentry 'Ubuntu (Recovery Mode)' {
    set root='(hd0,gpt2)'
    linux /vmlinuz root=/dev/sda2 ro recovery nomodeset
    initrd /initrd.img
}