컴퓨터를 켜면 가장 먼저 실행되는 것은 무엇일까요? 바로 운영 체제(Operating System, OS)입니다.
운영 체제는 우리가 컴퓨터를 편리하게 사용할 수 있도록 도와주는 가장 중요한 소프트웨어입니다.
스마트폰, 태블릿, 노트북, 데스크톱뿐만 아니라 냉장고, 자동차, 스마트 TV까지 모든 전자기기는 운영 체제를 사용하여 하드웨어를 관리하고, 사용자와 상호작용합니다.
하지만 많은 사람들은 운영 체제가 실제로 무엇을 하는지, 어떻게 동작하는지 알지 못합니다.
운영 체제를 이해하면 컴퓨터의 성능을 최적화할 수 있고, 프로그래밍을 할 때도 시스템 자원을 효율적으로 관리할 수 있으며, 시스템 문제를 해결하는 능력도 키울 수 있습니다.
따라서 컴퓨터 공학을 공부하는 학생이라면 운영 체제의 기본 개념과 핵심 기능을 반드시 익혀야 합니다.
이 글에서는 운영 체제가 하는 일, 운영 체제의 주요 개념, 그리고 현대 운영 체제의 특징을 깊이 있게 설명하겠습니다.
1. 운영 체제란 무엇인가?
1.1 운영 체제의 정의
운영 체제(OS, Operating System)는 컴퓨터의 하드웨어를 관리하고, 사용자와 컴퓨터를 연결하는 역할을 하는 소프트웨어입니다.
운영 체제는 다음과 같은 역할을 합니다.
- 사용자 인터페이스 제공: 우리가 마우스나 키보드를 이용해 컴퓨터를 조작할 수 있도록 함.
- 프로세스 관리: 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있도록 함.
- 메모리 관리: 실행 중인 프로그램이 RAM을 효율적으로 사용할 수 있도록 함.
- 파일 시스템 관리: 파일을 저장하고 불러오는 작업을 처리함.
- 장치 관리: 프린터, 키보드, 마우스 등 하드웨어 장치와 소통함.
운영 체제가 없다면, 컴퓨터는 단순한 기계일 뿐이며, 사용자가 직접 하드웨어를 조작해야 하기 때문에 매우 불편할 것입니다.
2. 운영 체제의 핵심 기능
운영 체제는 여러 가지 중요한 기능을 수행합니다. 그중에서도 핵심적인 기능들을 하나씩 살펴보겠습니다.
2.1 프로세스 관리: 여러 프로그램을 동시에 실행하는 법
2.1.1 프로세스란 무엇인가?
프로세스(Process)란 실행 중인 프로그램을 의미합니다. 우리가 인터넷 브라우저를 실행하면 하나의 프로세스가 생성되고, 동시에 음악을 들으면 또 다른 프로세스가 실행됩니다.
운영 체제는 이러한 여러 개의 프로세스를 동시에 실행할 수 있도록 관리합니다.
2.1.2 멀티태스킹과 CPU 스케줄링
컴퓨터는 한 번에 하나의 작업만 할 수 있을까요? 그렇지 않습니다!
운영 체제는 멀티태스킹(Multitasking) 기능을 통해 여러 개의 프로세스를 빠르게 전환하여 실행합니다.
하지만 CPU는 한 순간에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기 때문에, CPU 스케줄링(CPU Scheduling)이라는 기법을 사용하여 여러 프로세스가 돌아가면서 실행되도록 합니다.
대표적인 CPU 스케줄링 알고리즘은 다음과 같습니다.
- FCFS(First Come, First Serve): 먼저 요청된 프로세스를 먼저 실행
- SJF(Shortest Job First): 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 먼저 실행
- Round Robin: 일정한 시간 간격(time slice)으로 프로세스를 번갈아가며 실행
예를 들어, 웹 브라우저에서 유튜브 영상을 보면서 동시에 문서를 작성할 때, 운영 체제는 이 두 개의 프로세스를 번갈아가며 실행하여 사용자가 부드럽게 작업을 할 수 있도록 도와줍니다.
2.2 메모리 관리: RAM을 효율적으로 사용하기
컴퓨터가 실행 중인 모든 프로그램은 RAM(Random Access Memory)에 저장됩니다. 하지만 RAM의 용량은 한정적이기 때문에 운영 체제는 메모리를 효율적으로 관리해야 합니다.
2.2.1 가상 메모리(Virtual Memory)란?
만약 RAM이 부족하면 어떻게 될까요? 운영 체제는 가상 메모리(Virtual Memory)라는 기법을 사용하여 일부 데이터를 하드디스크(또는 SSD)에 저장합니다.
이렇게 하면 마치 RAM의 용량이 늘어난 것처럼 동작하지만, 속도가 느려지는 단점이 있습니다.
2.2.2 페이징과 세그먼테이션
운영 체제는 RAM을 효과적으로 관리하기 위해 페이징(Paging)과 세그먼테이션(Segmentation)이라는 기법을 사용합니다.
- 페이징: 메모리를 일정한 크기의 블록(Page)으로 나누어 관리하는 방식
- 세그먼테이션: 프로그램의 논리적인 구조에 따라 메모리를 나누는 방식
이러한 기술을 활용하면 메모리 사용량을 최적화할 수 있습니다.
2.3 파일 시스템: 데이터를 저장하고 불러오기
우리가 파일을 저장하고 불러올 때, 운영 체제는 파일 시스템(File System)을 이용합니다.
2.3.1 파일 시스템의 종류
- FAT32: 예전부터 사용된 간단한 파일 시스템
- NTFS: 윈도우에서 사용되며 보안과 성능이 뛰어남
- ext4: 리눅스에서 사용되는 파일 시스템
각 파일 시스템은 데이터 저장 방식이 다르며, 운영 체제에 따라 최적화된 방식이 사용됩니다.
2.4 장치 관리: 하드웨어와 소프트웨어 연결하기
운영 체제는 드라이버(Driver)라는 소프트웨어를 이용하여 하드웨어와 소통합니다.
- 키보드, 마우스, 프린터, 스캐너 등의 장치를 인식하고 제어하는 역할
- 사용자가 특별한 설정을 하지 않아도 장치가 자동으로 동작하도록 지원
예를 들어, USB 메모리를 꽂으면 자동으로 인식되고 파일을 복사할 수 있는 것은 운영 체제가 장치를 관리하기 때문입니다.
운영 체제는 컴퓨터의 모든 동작을 조정하는 핵심적인 역할을 합니다. 운영 체제를 깊이 이해하면, 단순한 사용자에서 벗어나 시스템의 구조를 이해하고 최적화할 수 있습니다.
운영 체제를 공부하면 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 컴퓨터 성능을 최적화할 수 있음: 불필요한 프로세스를 종료하거나 메모리를 효율적으로 사용할 수 있음
- 시스템 문제 해결 능력 향상: 시스템 오류나 속도 저하의 원인을 분석할 수 있음
- 프로그래밍에 유리함: 운영 체제의 원리를 이해하면 소프트웨어를 더 효율적으로 설계할 수 있음
이제 운영 체제의 기초를 이해했으니, 다음으로는 운영 체제의 더 심화된 개념인 멀티스레딩, 인터럽트, 커널 구조, 파일 시스템 심화 개념을 배워볼 것입니다.
운영 체제는 컴퓨터 공학의 핵심이므로, 확실하게 익혀두면 앞으로의 학습이 훨씬 쉬워질 것입니다!