2. 커널 (Kernel)

1. 커널 (Kernel) 이란?

커널은 운영체제(OS)의 주요 구성 요소이며 컴퓨터 하드웨어와 프로세스를 잇는 핵심 인터페이스이다.

커널이라는 이름은 단단한 껍질 안의 씨앗처럼 OS 내에 위치하고 전화기, 노트북, 서버 또는 컴퓨터 유형에 관계없이 하드웨어의 모든 주요 기능을 제어하기 때문에 붙은 이름이다.

 

 

2. 커널의 기능

1) 메모리 관리: 메모리가 어디에서 무엇을 저장하는 데 얼마나 사용되는지를 추적합니다.

2) 프로세스 관리: 어느 프로세스가 중앙 처리 장치(CPU)를 언제 얼마나 오랫동안 사용할지를 결정합니다.

3) 장치 드라이버: 하드웨어와 프로세스 사이에서 중재자/인터프리터의 역할을 수행합니다.

4) 시스템 호출 및 보안: 프로세스의 서비스 요청을 수신합니다.

 

 

3. 이중 실행 모드 (Kernel mode vs User mode)

Kernel mode와 User mode에 대해 살펴보기 전에, 이를 나눈 근본적인 이유가 상당히 중요하다.

응용 프로그램이 시스템 자원에 직접 접근하게 되면 심각한 오류들을 유발할 수 있기 때문에, 각 응용 프로그램이 시스템 자원에 직접 접근하지 못하도록 하기 위해서 나누어 놓았다. 따라서, 자원에 대한 접근 권한은 커널에게만 부여하여, 자원에 대한 접근이 필요한 시점에는 System call을 통해서 간접적으로 실행하도록 하였다. 결국 자원에 대한 접근은 커널을 통해서만 접근할 수 있는 것이다.

 

1. 커널 모드 (Kernel mode / SuperVisor mode)

커널 모드에서 운영체제는 모든 하드웨어에 대한 완전한 접근이 가능하며, 기계가 실행할 수 있는 어떤 명령도 실행할 수 있다. 즉, Kernel mode는 운영체제가 CPU의 제어권을 가지고 명령을 수행하는 모드로 일반 명령과 특권 명령 모두 수행할 수 있다. 또한 모든 주소 공간에 접근이 가능하다.

 

2. 유저 모드 (User mode)

유저 모드는 기계 명령 중 일부만을 실행할 수 있는 모드로, 특별히 기계의 제어에 영향을 미치거나 I/O를 하는 명령들은 사용자 모드에서 실행할 수 없다. 즉, User mode는 일반 사용자 프로그램이 CPU 제어권을 가지고 명령을 수행하는 모드이기 때문에 일반 명령만을 수행할 수 있다. 또한 사용자 주소 공간만 접근이 가능하다.

 

운영체제 구조

 

4. 일반/특권 명령

CPU가 수행하는 명령에는 2가지 명령이 있는데, 명령을 다음과 같이 구분하여 부적절한 사용을 막는다.

 

일반 명령은 메모리에서 자료를 읽어와 CPU에서 계산하고 결과를 메모리에 쓰는 등의 명령이고, 모든 프로그램이 수행할 수 있는 명령이다. 따라서 사용자 응용 프로그램은 특권 명령을 사용하지 못합니다.

 

특권 명령은 프로세스 제어, 파일 조작, 장치(I/O, 타이머 등) 조작, 정보 유지 보수, 통신, 보호 등의 명령으로, 항상 운영체제에서만 수행할 수 있으며, 특권 명령을 사용하고 싶을 때 사용하는 것이 바로 '시스템 콜'이며 OS에게 특권 명령을 대신 실행해달라고 요청하는 것입니다.

 

5. 논리 주소 공간

1. 사용자 주소 공간 (User space)

• 각 응용 프로그램이 나누어 적재되고 사용되는 공간

2. 커널 주소 공간 (Kernel space)

• 커널에 의해 배타적으로 사용 - 커널 코드, 커널 데이터, 디바이스 드라이버 등

 

커널

 

6. 커널과 관련된 Issue

1. 커널은 스스로 실행되는 프로세스인가?

• X, 시스템 호출을 통해 호출되는 단순 함수/데이터의 집합

2. 커널은 실행 중이다?

• X, 시스템 호출/인터럽트를 통해 커널 코드/ISR이 실행되고 있을 뿐이다. (능동적인 주체 x, 수동적인 대상 o)

3. 커널은 스택이나 힙을 갖는가?

• X, 각 프로세스/스레드가 스택/힙 소유
  • app이 커널 코드 실행 시, 커널 공간에 커널 코드 실행을 위한 스택 생성, 복귀 시 해제
• 커널은 하나의 프로세스가 아니므로 그 자신만의 스택/힙을 갖지 않는다. 사용자 프로그램이 시스템 호출을 통해 간접적으로 커널 함수를 호출하게 되면, 현재 커널 코드의 실행을 위해 커널 영역에 stack이 임시로 생성이 될 수는 있다. 하지만 이는 커널이 관리하는 것이 아니라, 사용자 프로그램의 요청을 처리하기 위해 임시로 만들어진 stack/heap 에 불과하다. 따라서 시스템 호출을 마무리하고 복귀하면 없어진다.

 

 

Reference

[커널] https://www.redhat.com/ko/topics/linux/what-is-the-linux-kernel

[Modern Operating Systems 3rd]