운영체제

• 커널 vs 하이퍼바이저
• 시스템 호출과 비시스템 호출 구분해보기
  • 시스템 호출 (System Call)
  • 비시스템 호출 (Non-System Call)
• 애플리케이션이 메모리를 할당받는 과정
• 프로세스 vs 스레드
• BIOS • UEFI • 부트로더
• 파일과 폴더
• 키보드 스캔코드 매핑 원리
  • 전체 흐름 개요
  • 상세 원리
  • 저장 위치에 따른 문자 데이터의 인코딩

커널 vs 하이퍼바이저

특징	커널	하이퍼바이저
정의	운영 체제의 핵심 구성 요소로, 하드웨어 자원과 소프트웨어 간의 상호작용을 관리하는 소프트웨어	여러 가상 머신(VM)을 생성하고 관리하는 소프트웨어
주 목적	프로세스 관리, 메모리 관리, 파일 시스템 관리 등 운영 체제 기능 제공	가상화, 자원 할당, 여러 운영 체제의 동시 실행 지원
자원 관리	CPU, 메모리, I/O 장치 등 물리적 자원 관리	물리적 자원을 가상 머신에 할당하고 관리
문맥 교환	프로세스 간의 문맥 교환 관리	가상 머신 간의 문맥 교환 관리
의존성	하드웨어 위에서 직접 실행	하드웨어 위에서 직접 실행(타입 1) 또는 운영 체제 위에서 실행(타입 2)
형태	일반적으로 단일 커널 (자주 사용하는 구조)	타입 1 하이퍼바이저(베어 메탈) 및 타입 2 하이퍼바이저(호스트형)
설치 위치	물리적 하드웨어와 직접적으로 연결	물리적 하드웨어 위에서 직접 실행(타입 1) 또는 운영 체제 내에서 간접적으로 실행(타입 2)
가상화 지원	기본적으로 가상화를 지원하지 않으며, 이를 위해 추가 소프트웨어가 필요	기본적으로 가상화를 지원하며 여러 운영 체제를 동시에 실행 가능

시스템 호출과 비시스템 호출 구분해보기

시스템 호출 (System Call)

시스템 호출은 운영 체제의 기능을 호출하는 것이며, 주로 파일 시스템, 네트워크, 프로세스 관리 등과 관련된 작업을 수행한다.

• fs.readFile(): 파일을 읽기 위한 시스템 호출
• fs.writeFile(): 파일에 쓰기 위한 시스템 호출
• http.createServer(): HTTP 서버를 생성하는 시스템 호출
• net.createServer(): TCP 서버를 생성하는 시스템 호출
• child_process.exec(): 자식 프로세스를 생성하는 시스템 호출

비시스템 호출 (Non-System Call)

비시스템 호출은 운영 체제와 직접적으로 상호작용하지 않는 코드로, 주로 메모리 내에서 데이터 처리나 계산을 수행한다.

• 숫자 계산, 문자열 조작 등
• 배열, 객체 등을 사용한 데이터 처리
• Promise 및 async/await를 사용한 비동기 처리, 시스템 자원에 의존하지 않는 경우

애플리케이션이 메모리를 할당받는 과정

고급 언어로 작성된 애플리케이션은 런타임 환경(Node.js, JVM, Python)을 통해 메모리를 할당받고, 런타임 환경(Node.js, JVM, Python)은 운영체제에게 메모리를 할당받는 구조를 갖는다.

프로세스 vs 스레드

항목	프로세스	스레드
정의	실행 중인 프로그램의 인스턴스	프로세스 내에서 실행되는 경량의 작업 단위
메모리 공간	독립적인 메모리 공간을 가짐	같은 프로세스 내에서 메모리 공간을 공유
자원 할당	각 프로세스는 필요한 시스템 자원을 보유	스레드는 프로세스의 자원을 공유 (전역 변수를 포함)
생성 및 종료	생성 비용이 크고 종료시 모든 자치 자원이 해제됨	생성 비용이 작고 종료 시 해당 스레드만 자원을 해제
스케줄링	운영체제가 관리하며 PCB를 통해 이루어짐	운영체제가 관리하며 TCB를 통해 이루어짐
통신	프로세스 간의 통신은 IPC를 통해 이루어짐	스레드 간의 통신은 메모리 공유를 통해 쉽게 이루어짐
성능	비교적 무겁고, 스위칭 시 비용이 큼	경량화되어 있고, 스위칭 시 비용이 적음

PCB(프로세스 제어 블록) 저장 정보:

• 프로세스 ID (PID)
• 프로세스 상태 (예: 실행, 대기, 중지 등)
• 프로그램 카운터 (PC)
• CPU 레지스터 (프로세스에 대한 레지스터 내용)
• 메모리 관리 정보 (페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등)
• I/O 상태 정보 (열린 파일 디스크립터, 입출력 장치 정보 등)
• 프로세스 우선순위
• 스케줄링 정보 (스케줄링 큐에서의 위치 등)
• 부모 프로세스 ID
• 프로세스의 자식 프로세스 목록
• 사용자 및 시스템 자원 사용 정보

TCB(스레드 제어 블록) 저장 정보:

• 스레드 ID (TID)
• 스레드 상태 (예: 준비, 실행, 대기, 종료 등)
• 프로그램 카운터 (PC)
• 스택 포인터
• CPU 레지스터 (스레드에 대한 레지스터 내용)
• 스레드 우선순위
• 스레드의 개별 자원 사용 정보
• 소속 프로세스 ID (PID)
• 이벤트 및 세마포어 정보 (상태 동기화 정보)

BIOS • UEFI • 부트로더

BIOS (Basic Input/Output System):

• BIOS는 컴퓨터를 켤 때 가장 먼저 실행되는 펌웨어로, 하드웨어 초기화와 운영체제를 로드하는 역할을 한다.
• 하드웨어와 운영체제 사이에서 통신을 중재하며, 하드웨어 테스트(POST: Power-On Self-Test)를 한다.
• BIOS는 ROM에 저장된 코드로, 기본적으로 키보드, 모니터, 하드 드라이브 등의 하드웨어를 제어한다.

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface):

• UEFI는 BIOS의 후속 기술로, 더 많은 기능과 빠른 부팅 속도를 제공한다.
• 그래픽 기반의 인터페이스와 보안 기능(Secure Boot)을 포함하며, 더 큰 하드 드라이브(2TB 이상의 드라이브)를 지원한다.
• UEFI는 운영체제와 하드웨어 간의 더 효율적인 인터페이스를 제공하며, 네트워크 기능이나 마우스 사용 등 고급 기능을 지원한다.

부트로더 (Bootloader):

• 부트로더는 BIOS나 UEFI가 하드웨어 초기화를 마친 후, 운영체제를 로드하는 프로그램이다.
• 컴퓨터가 켜지면 부트로더가 운영체제를 메모리에 올리고 실행하는 역할을 한다.
• 대표적인 부트로더로는 리눅스에서 많이 사용하는 GRUB, 윈도우의 Windows Boot Manager 등이 있다.

파일과 폴더

1. 파일과 폴더의 차이

   • 파일: 데이터를 저장하는 기본 단위 (예: 텍스트 파일, 이미지 파일).
   • 폴더: 파일을 그룹화하여 관리하는 구조, 다른 폴더(하위 폴더)도 포함 가능.

2. 운영체제와 파일 확장자

   • 운영체제는 파일 확장자를 기반으로 적절한 프로그램과 연동함.
   • 특정 확장자는 특정 프로그램에서 가장 잘 해석됨 (예: .txt → 텍스트 에디터, .jpg → 이미지 뷰어).

3. 파일의 바이너리 데이터 저장 방식

   • 모든 파일은 바이너리 형태(0과 1)로 저장됨.
   • 파일 확장자에 따라 데이터의 해석 방식이 달라짐.
     • .txt → 문자 데이터를 ASCII/UTF-8로 저장.
     • .jpg → 이미지 데이터를 압축된 바이너리 형태로 저장.

4. 파일 형식별 데이터 내용

   • .wmv: 주로 비디오 데이터를 저장, 오디오도 포함 가능.
   • .pdf: 문서 데이터 저장, PDF 뷰어가 가장 적절하게 해석함.
   • .xlsx/.xls: Excel 스프레드시트 데이터 저장, Excel이 가장 적절하게 해석함.

키보드 스캔코드 매핑 원리

키보드의 스캔코드 매핑은 하드웨어-소프트웨어 간의 입력 신호 변환 과정을 의미한다. 사용자가 키를 누를 때 물리적 신호가 컴퓨터가 이해할 수 있는 문자/명령어로 변환되는 원리는 다음과 같다.

전체 흐름 개요

키보드 입력 → 스캔코드 → OS 매핑 → 메모리(유니코드 코드포인트) → 파일 저장(UTF-8)

단계	설명	예시 (Q 키)
1	물리적 키 누름	Q 키 스위치 ON
2	행/열 매트릭스 스캔	행2, 열3 위치 감지
3	스캔코드 생성	0x14 (스캔코드)
4	OS 매핑 테이블 조회	0x14 → 'Q'
5	문자 출력	화면에 'Q' 표시

상세 원리

1. 키보드 매트릭스 구조: 키보드는 행(row) × 열(column) 매트릭스로 구성되어 있으며, 컨트롤러가 각 행을 순차적으로 활성화하여 눌린 키의 위치를 파악한다.
2. 스캔코드 생성: 하드웨어 고유의 값인 스캔코드를 생성한다. (예: Q키 = 0x14)
3. 매핑 과정: OS의 키보드 레이아웃 테이블(드라이버)을 통해 스캔코드를 문자로 변환한다.

• OS 매핑 테이블 ≠ 유니코드 표: OS 매핑 테이블은 "어떤 키가 어떤 문자를 내는지" 결정하는 것이고, 유니코드는 "그 문자를 컴퓨터에 어떻게 저장할지" 정의하는 것이다.

저장 위치에 따른 문자 데이터의 인코딩

키보드 입력 문자 데이터가 메모리에 저장되는 순간과 파일로 저장되는 순간의 인코딩 방식은 다르다.

1. 메모리 저장: 입력된 문자는 메모리에 유니코드 코드포인트(Unicode Code Point) 형태로 저장된다. (예: 'ㅂ' → U+3142) 이는 UTF-8 인코딩이 아니다.
2. 파일 저장: 파일로 저장하거나 네트워크로 전송할 때 비로소 UTF-8 등으로 인코딩된다. (예: U+3142 → E3 85 82)
3. UTF-8 사용 이유: 용량 절약이 가장 큰 이유이다. UTF-32(4바이트)나 UTF-16(2바이트 이상)에 비해, UTF-8은 영문 1바이트, 한글 3바이트 등으로 가변 길이를 사용하여 효율적이다.
4. Base64, URL Encode 등의 문자열 변환은 대부분 UTF-8로 인코딩된 바이트를 입력으로 받아 처리한다.
   • 변환 흐름: 문자 → UTF-8 바이트 → 변환 로직 → 안전한 텍스트
   • 예시: 'ㅂ' → UTF-8(E3 85 82) → Base64(Z4HC=)