🙋‍♀️ Shell & Kernel (쉘과 커널)

1. 질의 배경

리눅스의 구조를 공부하다가 Application 안에 Shell, Shell 안에 Kernel, Kernel 안에 HW(CPU, RAM)이 있다고 배웠다.

구체적으로 Kernel과 Shell이 무엇인지 잘 모르겠고,

이것들이 리눅스의 구조를 어떻게 구성하는지 잘 모르겠다.

2. 운영체제

역할 : 사용자와 컴퓨터 사이의 인터페이스, 자원관리 (CPU 스케줄링, 프로세스, 메모리, 디스크, I/O 디바이스 등 관리)

종류 : MacOS, Windows, Linux 등

커널과 쉘을 이야기하지 않고 왜 갑자기 운영체제?

커널과 쉘은 운영체제의 핵심적인 역할을 하는 소프트웨어라서!

3. 쉘과 커널

쉘은 껍데기, 주변이라는 뜻을 가지고 커널은 알맹이, 핵심의 뜻을 가진다.

Unix 아키텍쳐를 보면, 이 뜻이 잘 와닿는다.

쉘은 OS의 외부 계층에 위치한 반면, 커널은 OS의 내부 계층에 위치해있다.

즉, 쉘은 사용자와 커널을 연결해주는 인터페이스 역할을 하는 반면,

커널은 쉘로부터 전달받은 명령을 기계가 이해할 수 있는 언어로 변환하여 CPU, I/O, 메모리 등 다양한 리소스에 접근한다.

정리하자면

1. 쉘 = 껍데기 = 외부 계층 = 사용자와 커널 연결
2. 커널 = 핵심 = 내부 계층 = 쉘과 하드웨어 연결

4. 시스템 콜 (System Call)

사용자는 시스템 손상 방지를 위해 접근할 수 있는 영역이 제한되어 있어 하드웨어에 엑세스하기 위해선 시스템 콜이라는 작업을 수행해야한다.

시스템 콜은 Mode bit 기반으로 0은 커널 모드, 1은 사용자 모드로 나뉜다.

커널 모드에서는 모든 하드웨어 컴포넌트에 접근할 수 있다. 따라서 시스템 콜이 이루어질 때마다 사용자모드에서 커널 모드로 전환되어야한다.

위의 다이어그램에서 보이는 것과 같이, 유저의 애플리케이션은 유저 모드에서 작동되고, 운영체제는 커널 모드에서 작동된다.

유저 애플리케이션이 하드웨어에 접근하기 위해서는 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환되어야한다.

시스템이 Turn ON 되면 CPU는 커널 모드(디폴트)에 있다.

(OS를 메인 메모리에 로딩하는데, OS가 커널 모드에 있기 때문)

log IN 다음에, CPU는 유저 모드로 전환하여 유저 애플리케이션을 작동시킨다.

(사진 출처 : https://filmora.wondershare.kr/video-editing-software/pc-video-edit-program-filmora.html)

이때 Window OS에서 영화를 보는 상황을 상상해보자.

영화를 재생하기 위해 해당 영화를 클릭해야한다.

하지만 영화는 메인 메모리에 있고, 메인 메모리는 하드웨어이기에 CPU는 유저 모드에서 하드웨어에 접근할 수 없다.

따라서 OPEN() 시스템 콜을 생성하여 CPU를 커널 모드로 전환한다.

이제 OS가 커널 모드에 있으니 메인 메모리에서 해당 파일을 열 수 있다.

파일을 열고 난 이후에 다시 유저 모드로 전환한다.

그러면 영화를 유저 모드에서 보게 된다.

유저가 파일을 닫고 싶다면, CLOSE() 시스템 콜을 통해 파일을 닫을 수 있다.

5. 출처

1. https://kimwooseok.com/cs/2021/07/22/CS-Kernel/
2. https://sasca37.tistory.com/286
3. https://cstaleem.com/user-mode-vs-kernel-mode-trap-vs-interrupt