커널 (Kernel)

우리가 항상 운영체제를 공부하다 보면 자주 볼 수 있는 단어가 있다.

바로, '커널(Kernel)' 이다.

뭐만 하면 커널에 의해서 관리된다. 커널에 의해 보호된다. 어쩌구 저쩌구.....

도대체 커널이 뭐길래, 이렇게 자주 언급될까???

 

커널이란,

프로세스/메모리/저장장치/입출력 시스템 등을 관리하는 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 프로그램이다.

그만큼 운영체제의 핵심이라고 할 수 있으며, 운영체제의 성능은 커널이 좌우하게 된다.

컴퓨터가 부팅하는 순간 커널 코드가 메모리에 올라가고, 다른 프로그램과 다르게 항상 메모리에 상주(Memory Resident)한다.

 

여기서 잠깐 운영체제를 말하자면,
운영체제는 크게 커널과 인터페이스로 나눌 수 있는데 인터페이스는 커널에 사용자의 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자에게 알려주는 역할을 한다. 운영체제는 커널과 인터페이스를 분리하여 같은 커널에 다른 인터페이스를 장착한 형태로 제작할 수 있다.
응? 분리한다니, 이건 무슨 말이지? 한다면 유닉스 운영체제와 Mac OS X를 생각해보면 된다. 둘 다 유닉스계열의 커널을 사용하지만 서로 인터페이스(유닉스는 쉘)가 다르다.

 

또한, 커널은 크게 4가지 특성을 가지고 있다.

        위에서 말한 Memory Resident

        자원을 보호하는 보안성

        수많은 하드웨어가 접근가능하도록 하는 추상화

        자원관리를 위한 스케줄링

 

그렇다면 다음 그림을 보면서 하나씩 살펴보자.

(보안성) 커널은 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단한다. 따라서 사용자나 응용 프로그램이 자원을 이용하기 위해서는 System Call 이라는 인터페이스를 이용하여 접근해야 한다. System Call은 커널이 제공하는 시스템 관련 서비스를 모아넣은 것으로, 함수 형태로 제공된다.

 

(추상화) 응용 프로그램과 커널의 인터페이스가 System Call이라면, 하드웨어와 커널의 인터페이스는 드라이버(Driver)가 담당한다. 커널이 많은 종류의 하드웨어마다 그에 맞는 인터페이스를 다 개발하기 힘들다. 그래서 커널은 입출력의 기본적인 부분만 제작하고 하드웨어의 특성을 반영한 소프트웨어를 하드웨어 제작자에게 받아 커널이 실행될 때 함께 실행되도록 하는데, 이것이 바로 디바이스 드라이버(Device Driver)이다.

마우스, 키보드와 같이 간단한 디바이스 드라이버는 커널에 포함되어 있어, 하드웨어는 직접 커널과 연결되기도 한다.

(스케줄링) 자원은 한정되어 있다. 한정된 자원을 여러 프로그램이 사용해야 하는데, 어떠한 한 프로그램이 그 자원을 오랫동안 사용하고 있다면 다른 프로그램은 계속해서 대기해야 할 것이다. 그래서 커널은 한정된 자원을 효율적으로 관리하여 프로그램의 실행을 원활하게 한다.

 

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자, 우리는 지금까지 커널의 기본적인 개념과 특성을 살펴보았다.

여기까지 잘 따라왔다면 이번에는 여러 구조의 커널을 알아보자.

 

커널은 알다시피 여러가지 일을 한다.

프로세스 관리, 메모리 관리, 파일 시스템 관리, 입출력 관리, 프로세스 간 통신(IPC) 관리 등..

커널의 핵심 기능은 유기적으로 복잡하게 얽혀 있는데, 이러한 기능을 어떻게 구현하는 가에 따라 단일형 구조 커널, 계층형 구조 커널, 마이크로 구조 커널로 구분된다.

 

 

1. 단일형 구조 커널 (Monolithic Architecture)

초창기 운영체제 구조로, 커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈들이 구분없이 하나로 구성된다.

초기에 운영체제를 만들 때, 기능 구현하기에 바빴기 때문에 모듈을 분리하여 구현할 만한 여력이 없었다. 따라서 마치 함수를 거의 사용하지 않고 main( )에 모든 기능을 구현한 코드로 비유할 수 있다.

모든 모듈이 하나로 묶여있기 때문에 모듈 간의 통신 비용이 줄어들어 효율적인 운영이 가능하다는 장점이 있지만, 그만큼 단점이 매우 많다. 버그나 오류를 처리하기 어렵고, 운영체제의 여러 기능이 서로 연결되어 있어 상호 의존성이 높다. 즉, 기능상의 작은 결함이 아주 치명적일 수 있다. 또한, 수정이 어렵기 때문에 다양한 환경의 시스템에 적용하기 어렵고(이식성이 낮음), 크고 복잡한 운영체제를 구현하기 어렵다.

 

2. 계층형 구조 커널 (Layered Architecture)

단일형 구조 커널이 발전된 형태로, 비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어서 하나의 계층으로 만들고, 계층 간의 통신을 통해 운영체제를 구현하는 방식이다. 비슷한 기능을 모아 모듈화했기 때문에 단일형 구조보다 버그나 오류를 쉽게 처리할 수 있다.

또한, 오류가 발생했을 때 전체 커널이 아닌 해당 계층만 따로 수정하면 되기 때문에 디버깅하기도 쉽다.

- 예 : 마이크로소프트의 윈도우를 비롯한 오늘날의 운영체제

 

< 여기서 잠깐!!! >
모듈화란?
거대한 문제를 작은 조각으로 나누어 다루기 쉽도록 하는 과정
디버깅이란?
컴퓨터 프로그램 개발 과정 중에 발생하는 시스템의 논리적 오류나 비정상적 연산을 찾아내고, 그 원인을 밝히고 수정하는 작업과 과정

 

3. 마이크로 구조 커널 (Micro Architecture)

계속해서 모듈을 추가할 수 있는 계층형 구조 커널과 반대되는 개념을 가진다. 프로세스 관리, 메모리 관리, 프로세스 간 통신 관리 등 가장 기본적인 기능만 제공하며, 각 모듈은 독립적으로 작동하기 때문에 하나의 모듈이 실패하더라도 전체 운영체제가 멈추지 않는다. 많은 컴퓨터에 이식하기 쉽고 커널이 가벼워 CPU 용량이 작은 시스템에도 적용 가능하다.

- 이 구조를 사용하는 대표적인 운영체제인 마하(Mach)는 Mac OS X와 iOS의 커널로 사용되어 유명해졌다.

 

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우리는 지금까지 커널에 대해서 알아보았다. 커널과 연계된 개념(Context Switch, 스케줄링, IPC 등)이 너무 많아 어떤 범위까지 풀어써야 할 지 조금 고민되었지만, 이 포스트에서는 커널의 개념과 특성, 구조만을 다뤄보았다.

이 글을 잘 읽어보고 언젠가 누군가 커널이 무엇이냐고 물어본다면, 위의 내용을 떠올려보자.

 

 

Reference

'쉽게 배우는 운영체제' - 한빛아카데미
https://genesis8.tistory.com/241