로드맵

운영체제 로드맵

개념

68

연습

8

코드

40

먼저 알아야 할 것

• 어셈블리어 (2-1학기) 1~2장의 x86 프로세서 구조가 1장과 겹친다. 아직 개념 문서는 없다.
• 교재: Stallings, Operating Systems: Internals and Design Principles 6판.

1장 · 컴퓨터 시스템 개요

읽기 전에

1. 프린터가 한 줄 찍는 동안 프로세서는 무엇을 하고 있을까? 기다리지 않게 하려면 무엇이 필요할까? → 인터럽트
2. 캐시가 주기억장치보다 훨씬 작은데도 대부분의 읽기를 처리할 수 있는 까닭을 추측해 보라. → 캐시 메모리

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
01	컴퓨터의 기본 구성 요소	프로세서, 주기억장치, 입출력 모듈, 버스의 네 부분	—	—
02	프로세서 레지스터	프로세서 안의 빠른 칸. PC, IR, PSW, 조건 코드	—	—
03	명령어 사이클	명령어를 가져오고(인출) 실행하기를 되풀이	impl	—
04	인터럽트	장치가 끝났다고 알려 프로세서를 끊는 장치. 상태를 저장하고 되살린다	verify	—
05	메모리 계층	작고 빠른 메모리부터 크고 느린 메모리까지 층층이	—	—
06	캐시 메모리	지역성을 이용해 자주 쓰는 블록을 복사해 두는 작은 메모리	verify	—
07	입출력 기법	프로그램 입출력, 인터럽트 구동, DMA	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 명령어 사이클 그림에 인터럽트 단계를 넣어 그린 뒤, 입출력 기법 세 가지와 연결해 본다.

2장 · 운영체제 개요

읽기 전에

1. 프로그램 하나가 시간의 97%를 입출력을 기다리며 보낸다면, 프로세서를 놀리지 않을 방법은? → 다중 프로그래밍
2. 사용자 프로그램이 운영체제의 메모리를 덮어쓰지 못하게 하려면 하드웨어에 무엇이 있어야 할까? → 사용자 모드와 커널 모드

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
08	운영체제의 역할	응용의 실행을 지휘하고 하드웨어를 대신 관리하는 프로그램	—	—
09	운영체제의 발전	직렬 처리 → 단순 배치 → 다중 프로그래밍 배치 → 시분할	—	—
10	사용자 모드와 커널 모드	사용자 프로그램은 제한된 모드, 운영체제는 모든 권한	—	—
11	다중 프로그래밍	입출력을 기다리는 동안 다른 프로그램을 실행	fig1 · plot · verify	예제 사다리
12	시분할	프로세서 시간을 잘게 나눠 여러 사용자에게 번갈아	—	—
13	프로세스	실행 중인 프로그램. 프로그램, 데이터, 실행 문맥	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 운영체제 발전 네 단계를 쓰고, 단계마다 없앤 낭비와 새로 생긴 문제를 적어 본다.

3장 · 프로세스 설명과 제어

읽기 전에

1. 입출력이 끝난 프로세스는 곧바로 다시 실행될까? → 프로세스 상태
2. 시스템 호출을 할 때마다 실행 중인 프로세스가 바뀔까? → 프로세스 생성과 전환

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
14	프로세스 상태	실행·준비·대기와 일시 중단. 사건이 끝나면 준비로 간다	verify	—
15	프로세스 제어 블록	프로세스마다 하나인 신상 카드. 식별·프로세서 상태·제어 정보	—	—
16	프로세스 생성과 전환	생성 순서, 종료 이유, 모드 전환과 프로세스 전환의 차이	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 7상태 그림을 그린 뒤, 화살표마다 그 전이를 일으키는 사건을 적어 본다.

4장 · 스레드, SMP, 마이크로커널

읽기 전에

1. 같은 프로그램 안의 두 실행 흐름은 메모리를 함께 쓸까, 따로 쓸까? → 스레드
2. 커널이 스레드의 존재를 모르면, 한 스레드가 디스크를 기다릴 때 나머지는 어떻게 될까? → 사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
17	스레드	프로세스의 자원을 함께 쓰는 실행 흐름	verify	—
18	사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드	스레드를 라이브러리가 관리하나, 커널이 관리하나	—	—
19	대칭형 다중 처리	같은 기능의 프로세서 여럿이 메모리를 함께 쓰는 구조	—	—
20	마이크로커널	핵심만 커널에, 나머지 서비스는 사용자 모드 서버로	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 프로세스와 스레드가 각각 무엇을 가지는지 표로 쓰고, ULT와 KLT의 차이를 그 표로 설명해 본다.

5장 · 병행성: 상호 배제와 동기화

읽기 전에

1. 두 스레드가 같은 변수에 동시에 1을 더하면 결과는 늘 2만큼 늘까? → 경쟁 조건과 임계 구역
2. 자리가 없을 때 계속 확인하며 기다리지 않고 잠들게 하려면 무엇이 필요할까? → 세마포어

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
21	경쟁 조건과 임계 구역	결과가 실행 순서에 달린 상황과, 한 번에 하나만 들어가는 구간	verify	—
22	상호 배제의 하드웨어 지원	인터럽트 금지, compare&swap, exchange. 바쁜 대기	—	—
23	세마포어	남은 자리를 세는 정수와 대기 줄. semWait·semSignal	impl	—
24	생산자-소비자 문제	가득 차면 생산자가, 비면 소비자가 기다리는 버퍼	verify	—
25	모니터	공유 데이터와 함수를 한 방에. 조건 변수로 기다림	—	—
26	메시지 전달	send·receive로 데이터를 넘기며 동기화	—	—
27	독자-저자 문제	독자는 함께, 저자는 혼자. 누구를 우대하나	verify	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 유한 버퍼 해법을 세마포어 세 개로 써 본 뒤, semWait 두 개의 순서를 바꾸면 무슨 일이 생기는지 적어 본다.

6장 · 병행성: 교착상태와 기아

읽기 전에

1. 네 갈래 교차로에서 네 차가 동시에 들어오면 왜 아무도 못 움직일까? → 교착상태
2. 요청을 들어줘도 괜찮은지 미리 알 수 있다면 무엇을 따져야 할까? → 교착상태 회피

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
28	교착상태	서로 상대의 자원을 기다리며 멈춤. 네 조건	—	—
29	교착상태 예방	네 조건 중 하나를 설계로 원천 차단	—	—
30	교착상태 회피	요청마다 안전 상태인지 보고 허락. 은행원 알고리즘	impl	예제 사다리
31	교착상태 탐지와 복구	일단 허락하고 주기적으로 찾아서 푼다	impl	—
32	식사하는 철학자 문제	포크 다섯 개, 철학자 다섯 명	verify	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 교착상태 네 조건을 쓰고, 예방·회피·탐지가 각각 어떤 조건을 어떻게 다루는지 표로 적어 본다.

7장 · 메모리 관리

읽기 전에

1. 프로그램이 메모리의 어디에 실릴지 모르는데, 코드 속 주소는 어떻게 맞출까? → 메모리 관리의 요구 사항
2. 메모리를 크기가 제각각인 덩어리로 나누면 시간이 지나며 무슨 일이 생길까? → 메모리 분할

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
33	메모리 관리의 요구 사항	재배치, 보호, 공유, 논리·물리 구성	—	—
34	메모리 분할	고정·동적 분할, 단편화, 배치 알고리즘	verify	—
35	버디 시스템	2의 거듭제곱 크기로 쪼개고 합치는 할당	impl	—
36	페이징	같은 크기의 페이지와 프레임, 페이지 표로 주소 변환	impl	예제 사다리
37	세그먼테이션	길이가 다른 논리 단위로 나누는 방식	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 고정 분할, 동적 분할, 페이징, 세그먼테이션을 단편화 종류로 비교하는 표를 써 본다.

8장 · 가상 메모리

읽기 전에

1. 프로그램 전체가 메모리에 없어도 실행할 수 있을까? 무엇이 있어야 할까? → 가상 메모리
2. 메모리가 꽉 찼을 때 어떤 페이지를 내보내야 가장 손해가 적을까? → 페이지 교체 알고리즘

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
38	가상 메모리	프로세스의 일부만 메모리에 두고 실행. 지역성, 스래싱, 페이지 크기	verify	—
39	페이지 표 구조	P·M 비트, 다단계 페이지 표, 역 페이지 표	verify	—
40	TLB	최근 페이지 표 항목을 담은 하드웨어 캐시	fig1 · plot · verify	—
41	페이지 교체 알고리즘	OPT, LRU, FIFO, CLOCK. 무엇을 내보낼까	fig1 · impl · plot	예제 사다리
42	상주 집합 관리와 적재 제어	반입·배치·상주 집합·정리 정책과 다중 프로그래밍 수준	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 가상 주소 하나가 TLB → 페이지 표 → (부재면) 디스크를 거쳐 실제 주소가 되는 과정을 그려 본다.

9장 · 단일 프로세서 스케줄링

읽기 전에

1. 짧은 작업을 먼저 처리하면 무엇이 좋아지고 누가 손해를 볼까? → 스케줄링 알고리즘
2. 어떤 프로세스가 다음에 프로세서를 얼마나 쓸지 어떻게 짐작할까? → 실행 시간 예측

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
43	스케줄링의 종류와 기준	장기·중기·단기 스케줄링과 평가 기준, 우선순위	—	—
44	스케줄링 알고리즘	FCFS, RR, SPN, SRT, HRRN, 피드백	fig1 · plot · impl	예제 사다리
45	실행 시간 예측	지난 실행 시간으로 다음 버스트를 지수 평균으로 짐작	fig1 · plot · verify	—
46	공정 분배와 UNIX 스케줄링	사용량을 반씩 잊는 UNIX 우선순위와 그룹 단위 공정 분배	fig1 · plot · verify	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 다섯 프로세스 예(A~E)를 FCFS와 SRT로 간트 차트를 그려 평균 반환 시간을 비교해 본다.

10장 · 다중 프로세서와 실시간 스케줄링

읽기 전에

1. 프로세서가 넷일 때, 서로 결과를 주고받는 스레드 넷은 어떻게 배치해야 빠를까? → 다중 프로세서 스케줄링
2. 중요한 작업에 높은 우선순위를 주면 마감을 가장 잘 지킬까? → 실시간 스케줄링

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
47	다중 프로세서 스케줄링	어느 프로세서에서 돌릴까. 부하 공유, 갱 스케줄링, 전용 배정	—	—
48	실시간 시스템	늦으면 틀린 시스템. 경성·연성, 결정성과 응답성	—	—
49	실시간 스케줄링	마감이 가장 이른 것 먼저(EDF)와 비율 단조(RMS)	fig1 · impl · plot	예제 사다리
50	우선순위 역전	높은 작업이 낮은 작업을 기다리는 함정과 우선순위 상속	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 A(20, 10)·B(50, 25) 예를 A 우선, B 우선, EDF로 그려 각각 놓친 마감을 적어 본다.

11장 · 입출력 관리와 디스크 스케줄링

읽기 전에

1. 디스크 요청이 여러 개 쌓였을 때 어떤 순서로 처리해야 팔이 덜 움직일까? → 디스크 스케줄링
2. 디스크 하나가 고장 나도 데이터를 잃지 않으려면 무엇을 더 저장해야 할까? → RAID

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
51	입출력 장치와 입출력 설계	장치 종류와 차이, 입출력 기능의 발전, 층 구조	—	—
52	입출력 버퍼링	단일·이중·순환 버퍼로 장치와 프로세스의 속도 차이를 흡수	fig1 · plot · verify	—
53	디스크 스케줄링	FIFO, SSTF, SCAN, C-SCAN. 팔 이동을 줄이는 순서	fig1 · impl · plot	예제 사다리
54	RAID	디스크 여러 개를 하나처럼. 스트라이핑, 미러링, 패리티	verify	—
55	디스크 캐시	디스크 섹터를 메모리에. LRU, LFU, 빈도 기반 교체	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 헤드 100, 요청 55 58 39 18 90 160 150 38 184를 SSTF와 SCAN으로 처리하는 순서를 써 본다.

12장 · 파일 관리

읽기 전에

1. 파일이 디스크 여러 곳에 흩어져 있으면 운영체제는 어떻게 블록들을 찾아갈까? → 파일 할당
2. 작은 파일과 아주 큰 파일을 같은 구조로 다루려면 블록 주소를 어떻게 적어 둘까? → UNIX 아이노드

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
56	파일과 파일 관리 시스템	이름 붙은 데이터 묶음과, 그것을 다루는 운영체제 층	—	—
57	파일 조직	더미, 순차, 색인 순차, 색인, 직접 파일	—	—
58	디렉터리와 파일 공유	이름으로 파일을 찾는 표. 트리 구조와 공유 권한	—	—
59	레코드 블로킹	레코드를 블록에 담는 세 방법. 고정, 걸침, 안 걸침	verify	—
60	파일 할당	디스크 블록을 파일에. 연속, 연결, 색인 할당	impl	—
61	UNIX 아이노드	직접·간접 포인터로 작은 파일도 큰 파일도	verify	예제 사다리
62	접근 제어	누가 무엇에 어떤 일을. 접근 행렬, ACL, 권한 목록	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 연속, 연결, 색인 할당을 단편화와 임의 접근 속도로 비교하는 표를 써 본다.

14장 · 컴퓨터 보안 위협

읽기 전에

1. 보안이 지켜야 할 것을 세 단어로 줄인다면 무엇일까? → 보안의 목표와 위협
2. 바이러스와 웜은 퍼지는 방식이 어떻게 다를까? → 악성 소프트웨어

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
63	보안의 목표와 위협	기밀성, 무결성, 가용성과 이를 깨는 공격	—	—
64	악성 소프트웨어	바이러스, 웜, 트로이 목마, 봇, 루트킷	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 보안의 세 목표와 그것을 깨는 공격 종류를 짝지어 써 본다.

15장 · 컴퓨터 보안 기법

읽기 전에

1. 비밀번호 파일을 통째로 도둑맞아도 비밀번호가 바로 드러나지 않게 하려면? → 사용자 인증
2. 함수 안의 배열을 넘치게 쓰면 왜 공격자의 코드가 실행될 수 있을까? → 버퍼 오버플로 방어

번호	개념	한 줄	개념 코드	연습
65	사용자 인증	아는 것, 가진 것, 그 사람 자체. 솔트 친 해시	verify	—
66	침입 탐지	평소와 다른 행동, 알려진 수법을 찾아 경보	—	—
67	악성 코드 대응	탐지·식별·제거, 에뮬레이터, 행동 차단	—	—
68	버퍼 오버플로 방어	넘친 입력이 돌아갈 주소를 덮는 공격을 막기	—	—

떠올려 보기: 노트를 닫고 인증, 접근 제어, 침입 탐지, 악성 코드 대응이 각각 어느 단계에서 막는지 순서대로 써 본다.

다른 과목과의 연결

• 모니터 ↔ Mutex ↔ 모니터, 생산자-소비자 문제 (Rust): 모니터의 공유 데이터와 조건 변수가 Rust에서는 Mutex 안의 데이터와 Condvar가 된다.
• 후보: 4-1학기 컴퓨터 통신의 패킷 스위칭(쉬는 시간에 남이 링크를 씀) ↔ 다중 프로그래밍(입출력 대기 동안 남이 프로세서를 씀).

흐름

graph TD
  C1["01 컴퓨터의 기본 구성 요소"]
  C2["02 프로세서 레지스터"]
  C3["03 명령어 사이클"]
  C4["04 인터럽트"]
  C5["05 메모리 계층"]
  C6["06 캐시 메모리"]
  C7["07 입출력 기법"]
  C8["08 운영체제의 역할"]
  C9["09 운영체제의 발전"]
  C10["10 사용자 모드와 커널 모드"]
  C11["11 다중 프로그래밍"]
  C12["12 시분할"]
  C13["13 프로세스"]
  C14["14 프로세스 상태"]
  C15["15 프로세스 제어 블록"]
  C16["16 프로세스 생성과 전환"]
  C17["17 스레드"]
  C18["18 사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드"]
  C19["19 대칭형 다중 처리"]
  C20["20 마이크로커널"]
  C21["21 경쟁 조건과 임계 구역"]
  C22["22 상호 배제의 하드웨어 지원"]
  C23["23 세마포어"]
  C24["24 생산자-소비자 문제"]
  C25["25 모니터"]
  C26["26 메시지 전달"]
  C27["27 독자-저자 문제"]
  C28["28 교착상태"]
  C29["29 교착상태 예방"]
  C30["30 교착상태 회피"]
  C31["31 교착상태 탐지와 복구"]
  C32["32 식사하는 철학자 문제"]
  C33["33 메모리 관리의 요구 사항"]
  C34["34 메모리 분할"]
  C35["35 버디 시스템"]
  C36["36 페이징"]
  C37["37 세그먼테이션"]
  C38["38 가상 메모리"]
  C39["39 페이지 표 구조"]
  C40["40 TLB"]
  C41["41 페이지 교체 알고리즘"]
  C42["42 상주 집합 관리와 적재 제어"]
  C43["43 스케줄링의 종류와 기준"]
  C44["44 스케줄링 알고리즘"]
  C45["45 실행 시간 예측"]
  C46["46 공정 분배와 UNIX 스케줄링"]
  C47["47 다중 프로세서 스케줄링"]
  C48["48 실시간 시스템"]
  C49["49 실시간 스케줄링"]
  C50["50 우선순위 역전"]
  C51["51 입출력 장치와 입출력 설계"]
  C52["52 입출력 버퍼링"]
  C53["53 디스크 스케줄링"]
  C54["54 RAID"]
  C55["55 디스크 캐시"]
  C56["56 파일과 파일 관리 시스템"]
  C57["57 파일 조직"]
  C58["58 디렉터리와 파일 공유"]
  C59["59 레코드 블로킹"]
  C60["60 파일 할당"]
  C61["61 UNIX 아이노드"]
  C62["62 접근 제어"]
  C63["63 보안의 목표와 위협"]
  C64["64 악성 소프트웨어"]
  C65["65 사용자 인증"]
  C66["66 침입 탐지"]
  C67["67 악성 코드 대응"]
  C68["68 버퍼 오버플로 방어"]
  C1 --> C2
  C2 --> C3
  C3 --> C4
  C2 --> C4
  C1 --> C5
  C5 --> C6
  C4 --> C7
  C1 --> C8
  C8 --> C9
  C9 --> C10
  C2 --> C10
  C9 --> C11
  C4 --> C11
  C7 --> C11
  C11 --> C12
  C4 --> C12
  C11 --> C13
  C2 --> C13
  C13 --> C14
  C4 --> C14
  C14 --> C15
  C2 --> C15
  C15 --> C16
  C10 --> C16
  C13 --> C17
  C14 --> C17
  C17 --> C18
  C10 --> C18
  C17 --> C19
  C11 --> C19
  C10 --> C20
  C13 --> C20
  C17 --> C21
  C13 --> C21
  C21 --> C22
  C4 --> C22
  C22 --> C23
  C14 --> C23
  C23 --> C24
  C23 --> C25
  C24 --> C25
  C21 --> C26
  C20 --> C26
  C23 --> C27
  C21 --> C28
  C23 --> C28
  C28 --> C29
  C28 --> C30
  C29 --> C30
  C30 --> C31
  C28 --> C32
  C23 --> C32
  C13 --> C33
  C5 --> C33
  C33 --> C34
  C34 --> C35
  C34 --> C36
  C33 --> C36
  C36 --> C37
  C5 --> C38
  C13 --> C38
  C36 --> C38
  C37 --> C38
  C14 --> C38
  C38 --> C39
  C39 --> C40
  C6 --> C40
  C38 --> C41
  C6 --> C41
  C41 --> C42
  C14 --> C43
  C42 --> C43
  C43 --> C44
  C44 --> C45
  C44 --> C46
  C19 --> C47
  C44 --> C47
  C44 --> C48
  C4 --> C48
  C48 --> C49
  C49 --> C50
  C23 --> C50
  C7 --> C51
  C8 --> C51
  C51 --> C52
  C24 --> C52
  C51 --> C53
  C44 --> C53
  C53 --> C54
  C52 --> C55
  C41 --> C55
  C51 --> C56
  C56 --> C57
  C56 --> C58
  C57 --> C59
  C34 --> C59
  C59 --> C60
  C36 --> C60
  C60 --> C61
  C58 --> C61
  C58 --> C62
  C62 --> C63
  C63 --> C64
  C10 --> C64
  C63 --> C65
  C63 --> C66
  C65 --> C66
  C64 --> C67
  C66 --> C67
  C64 --> C68
  C38 --> C68