[OS] Kernel

Kernel

스터디 준비 자료로 작성한 글입니다. 원본은 github에서 확인 가능합니다.

🖥️ 커널이란?

kernel

하드웨어와 가장 가까이 있는 일종의 프로그램으로 항상 메모리에 상주하며 하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 인터페이스를 제공하는 역할을 함.
즉, 컴퓨터 자원들을 관리하는 역할을 함.
다만, 커널은 항상 컴퓨터 자원들을 바라만 보고 있기 때문에 사용자(user)와의 상호작용은 지원하지 않음 -> 사용자와의 직접적인 상호작용을 위한 shell이라는 프로그램이 존재함.

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windowsnt_kernel

Shell

사용자와 커널 사이에 위치하여 사용자가 커널에게 명령을 내리는 역할을 함.
정확하게는 응용 프로그램의 명령어와 커널이 대화할 수 있도록 해줌. -> 이를 명령어 해석기라고 부름.
커널마다 각각의 쉘을 가지고 있으며 종류도 다양함. Linux 커널의 경우 대표적으로 sh, csh, tcsh, ksh, bash, zsh 등이 있음.

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Bourne Shell (`/bin/sh`)

가장 기본적인 쉘, 유닉스 최초의 쉘.
최초의 쉘이라 기능이 매우 단순함.
일반 유저의 쉘 프롬프트는 $로 표시되며, root 유저의 쉘 프롬프트는 #로 표시됨.

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C Shell (`/bin/csh`)

C언어로 작성된 쉘로 Bourne Shell의 단점을 보완하기 위해 개발됨.
C언어 구문과 유사한 shell 문법을 가짐.

TC Shell (`/bin/tcsh`)

C shell에 명령행 완성과 명령행 편집 기능을 추가한 쉘.

Korn Shell (`/bin/ksh`)

Bourne Shell의 단점을 보완하기 위해 개발된 쉘로 csh의 기능들을 포함하여 개발됨.
Unix 계열에서 많이 사용됨.

Bourne Again Shell (`/bin/bash`)

Bourne Shell의 단점을 보완하기 위해 개발된 쉘로 현재 리눅스에서 표준으로 채택된 쉘임.
csh와 ksh의 기능들을 통합/보완하여 개발됨.
sh에 비해 확장된 기능을 제공함.
- history, alias, 자동 완성(tab), 연산, job control, etc.

커널의 자원 관리

커널의 가장 큰 목표는 시스템의 물리적 자원(하드웨어)과 추상화 자원을 관리하는 것임.
추상화 자원이란?
- 물리적으로 하나뿐인 자원을 여러 사용자(프로세스)들이 번갈아 사용할 수 있도록 여러개처럼 보이게 하는 것.
- 커널이 물리적 자원을 관리함에 따라 각 사용자(프로세스)들이 하나의 하드웨어를 독점하는 것처럼 느낄 수 있도록 함.
커널을 다음과 같은 작업을 수행함.
- Task(Process) Management: 물리적 자원인 CPU를 추상적 자원인 Task로 제공
- Memory Management: 물리적 자원인 메모리를 추상적 자원인 Page 또는 Segment로 제공
- File System: 물리적 자원인 디스크를 추상적 자원인 File로 제공
- Network Managment : 물리적 자원인 네트워크 장치를 추상적 자원인 Socket으로 제공
- Device Driver Management : 각종 외부 장치에 대한 접근
- Interrupt Handling : 인터럽트 핸들러
- I/O Communication : 입출력 통신 관리

커널의 종류

Monolithic Kernel

커널의 기능들(VFS, IPC, File System 등)을 하나의 커널에서 직접 처리하는 방식.
각각의 서비스들은 커널 내부의 여러 계층에서 관리되며 사용자가 시스템 자원을 시스템 콜을 통해 사용할 수 있게 해줌.

모든 기능들이 하나의 커널에서 직접 처리되므로 커널 내부에서 서비스들이 시스템 자원을 공유하므로 효율적이며 속도가 빠른 장점이 있음.
반면에 같은 맥락에서 커널의 크기가 크고, 하나의 오류만 발생해도 전 체 시스템에 영향을 줄 수 있으며, 커널의 기능이 늘어날수록 커널의 크기가 커지고 복잡해지는 단점이 있음.
초기의 모놀리식 커널은 단일 모듈이었기 때문에 내부 서비스의 추가 및 수정이 어려웠으나, 현재는 모듈화되어 있어서 서비스의 추가 및 수정이 용이함.
대표적인 모놀리식 커널을 사용하는 OS에는 Unix, Linux, MS-DOS, 윈도우 9X, Mac OS 8.6 이하 등이 있음.

Micro Kernel

기존의 모놀리식 커널에서 핵심 서비스(Process Management, Memory Management, Network Management)만을 남겨두고 나머지를 제외하여 가볍게 만든 커널.

기존의 모놀리식 커널의 시스템 서비스들(VFS, IPC, Device Driver 등)을 마이크로 커널에서는 개별적인 서버의 형태로 존재함.
마이크로 커널은 핵심 서비스만을 가지고 있고 서버를 추가하는 방식이기에 커널 변경 없이 간단히 기능을 추가 및 수정할 수 있음.
또한 프로세스가 각각의 서버 영역에서 수행되기 때문에 하나의 서비스가 다운되어도 다른 서비스에 영향을 끼치지 않음.
하지만 커널 내의 서비스들이 각각의 서버 영역에 존재하므로 서비스끼리 리소스 공유를 위해서는 컨텍스트 스위칭이 필수적으로 발생하게 되어 성능 저하가 발생할 수 있음.
대표적인 마이크로 커널을 사용하는 OS에는 Mach, 심비안 등이 있음.

Hybrid Kernel

모놀리식 커널과 마이크로 커널의 장점을 결합한 커널.
기존의 모놀리식 커널과 다를 것이 없다는 의견도 있음.

Linux Kernel

linux_source_level

linux_source

kernel

linux_kernel

태스크 관리자가 구현된 디렉터리.
태스크의 생성 및 소멸, 프로그램 실행, 스케쥴링, 시그널 처리등의 기능 구현.

arch

linux_arch

하드웨어 종속적인 부분들이 구현된 디렉터리.
arch/x86: x86 아키텍처에서 사용되는 하드웨어 종속적인 부분들이 구현된 디렉터리. 여러 종류의 CPU 아키텍ㅊ처를 지원하기 위해 아키텍처별로 디렉터리를 구분함. x86, arm, mips, arc 등이 있음.

linux_arch_x86

arch/x86/boot: 시스템 부팅 시 사용하는 부트로더가 구현된 디렉터리.

linux_arch_x86_boot

arch/x86/kernel: 태스크 관리자 중 컨텍스트 스위칭 및 쓰레드 관리 기능이 구현된 디렉터리.

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arch/x86/mm: 메모리 관리자 중 페이징 및 하드웨어 종속 부분이 구현된 디렉터리.

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arch/x86/lib: 커널이 사용하는 라이브러리 함수가 구현된 디렉터리.

linux_arch_x86_lib

arch/x86/math-emu: FPU(Floting Point Unit) 관련 기능이 구현된 디렉터리.

linux_arch_x86_fpu

fs

다양한 파일시스템과 시스템 호출이 구현된 디렉터리.
open(), read(), write()와 같은 시스템 콜이 구현되어 있음.

linux_fs

mm

메모리 관리자가 구현된 디렉터리.
물리적 메모리, 가상 메모리, 동적 메모리 관리 기능이 구현되어 있음.

linux_mm

driver

디바이스 드라이버가 구현된 디렉터리.
여러가지 디바이스 드라이버가 구현되어 있음.
- block device driver: 파일 시스템이 사용하는 디바이스 드라이버.
- char device driver: 터미널이나 키보드 등의 장치파일을 위한 디바이스 드라이버.
- network device driver: tcp, ip 등 네트워크를 위한 디바이스 드라이버.

linux_driver