⚙️ [운영체제] 시분할 시스템(Time-sharing)
1️⃣ 운영체제 개요 - 운영체제의 역사와 발전 과정
📌 시분할 시스템 (Time-Sharing System, TSS)
🔹 시분할 시스템(Time-Sharing System)이란?
시분할 시스템(Time-Sharing System, TSS)은 여러 사용자가 하나의 컴퓨터 시스템을 동시에 사용할 수 있도록 CPU 시간을 짧은 시간 단위(타임 슬라이스, Time Slice)로 나누어 프로세스에 할당하는 운영 방식입니다.
이는 다중 프로그래밍 시스템(Multiprogramming System)의 개념을 확장한 것으로, 인터랙티브(Interactive) 환경을 제공하여 사용자가 실시간으로 시스템과 상호작용할 수 있도록 발전한 개념입니다.
✔ 핵심 개념:
- CPU 시간을 작은 단위로 분할하여 여러 사용자가 공정하게 사용하도록 배분
- 사용자는 마치 자신만의 독립적인 컴퓨터를 사용하는 것처럼 느낄 수 있음
- 멀티태스킹(Multitasking)의 기초가 된 운영 방식
이 시스템은 현대적인 운영체제에서 사용자가 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있도록 지원하는 기반 기술이 되었으며, 오늘날의 Windows, Linux, macOS 등의 운영체제는 모두 시분할 시스템을 기반으로 동작합니다.
1️⃣ 시분할 시스템이 등장한 배경
1950~1960년대, 컴퓨터는 대형 메인프레임(Mainframe) 컴퓨터로 한 번에 하나의 작업을 처리하는 배치 처리 시스템(Batch Processing System) 방식이 주류였습니다.
하지만 이러한 방식에는 다음과 같은 문제점이 있었습니다.
✅ 기존 운영 방식의 문제점
- 사용자가 즉시 응답을 받을 수 없음
- 배치 처리 시스템에서는 사용자가 프로그램을 제출한 후, 결과를 받기까지 수시간에서 수일이 걸릴 수 있었음
- 자원 활용의 비효율성
- 다중 프로그래밍 시스템이 등장하여 CPU 활용률이 향상되었지만, 여전히 사용자 인터랙션이 불가능했음
- 여러 사용자가 동시에 시스템을 사용할 수 없음
- 컴퓨터가 고가였기 때문에 한 대의 시스템을 여러 사람이 공유해야 했음
이러한 문제를 해결하기 위해, 1960년대 MIT(매사추세츠 공과대학교)에서 CTSS(Compatible Time-Sharing System)가 개발되면서 시분할 개념이 본격적으로 등장하였습니다.
2️⃣ 시분할 시스템의 동작 방식
시분할 시스템은 다중 프로그래밍(Multiprogramming) 개념을 기반으로 CPU 시간을 나누어 여러 개의 프로세스에 분배하는 방식입니다.
🔹 1. 타임 슬라이스(Time Slice) 개념
- CPU 시간을 일정한 크기의 타임 슬라이스(Time Slice, Time Quantum)로 나누어 각 사용자에게 순환 배분(Round Robin 방식)
- 각 프로세스가 CPU를 짧은 시간 동안 점유하고, 타임 슬라이스가 끝나면 다음 프로세스로 교체(Context Switching)
🔹 2. 프로세스 스케줄링(Process Scheduling)과 컨텍스트 스위칭(Context Switching)
- 운영체제는 프로세스 스케줄러(Process Scheduler)를 통해 실행할 프로세스를 정하고, CPU를 할당
- 컨텍스트 스위칭(Context Switching)을 통해 여러 프로세스 간의 CPU 점유를 교체하여 멀티태스킹 환경을 조성
🔹 3. 사용자 입력 및 인터랙션 (Interactive Environment)
- 사용자는 키보드 입력을 통해 명령을 내리면 즉시 실행 결과를 확인할 수 있음
- 이는 현대적인 CLI(Command-Line Interface) 및 GUI(Graphical User Interface)의 기초가 됨
3️⃣ 시분할 시스템의 주요 특징
✅ 1. 다중 사용자 환경(Multi-User Environment) 제공
- 여러 명의 사용자가 동시에 하나의 컴퓨터를 사용할 수 있도록 지원
- 사용자는 마치 자신의 전용 컴퓨터를 사용하는 것처럼 느낄 수 있음
✅ 2. 멀티태스킹(Multitasking) 지원
- 시분할 시스템은 사용자가 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있도록 지원
- 예: 사용자가 텍스트 편집기에서 문서를 작성하면서, 동시에 이메일을 확인하는 작업 가능
✅ 3. 빠른 응답 시간 (Fast Response Time)
- 시분할 시스템에서는 사용자의 요청이 즉시 처리되므로 실시간 응답이 가능
- 이는 현대적인 실시간 운영체제(Real-Time Operating System, RTOS) 개념의 기초가 됨
✅ 4. 프로세스의 우선순위 관리 (Priority-Based Scheduling)
- 운영체제는 사용자 요청의 중요도에 따라 프로세스의 우선순위를 조정
- 예: 긴급한 작업(네트워크 패킷 처리)은 높은 우선순위를 부여하여 즉시 실행
4️⃣ 시분할 시스템의 장점과 단점
🔹 시분할 시스템의 장점
- 사용자 응답 속도 향상 → 사용자가 명령을 입력하면 즉시 실행 결과를 확인할 수 있음
- 자원 공유 및 효율적인 CPU 활용 → 여러 사용자가 동시에 시스템을 사용할 수 있어 컴퓨터 자원의 활용도가 증가
- 멀티태스킹 환경 제공 → 사용자가 여러 개의 프로그램을 동시에 실행할 수 있음
- 인터랙티브 시스템(Interactive System) 지원 → 사용자와 컴퓨터 간 실시간 상호작용 가능
🔹 시분할 시스템의 단점
- 컨텍스트 스위칭 비용 증가 → CPU가 여러 프로세스를 빠르게 전환하면서 오버헤드(Overhead)가 발생
- 시스템 자원 부족 가능성 → 여러 사용자가 동시에 시스템을 사용할 경우, 메모리와 CPU 자원이 부족해질 수 있음
- 응답 시간이 일정하지 않음 → 실행 중인 작업이 많아질수록 개별 프로세스의 실행 속도가 느려질 수 있음
5️⃣ 시분할 시스템의 발전과 현대 운영체제에서의 활용
시분할 시스템은 현대 운영체제의 기초가 되었으며, 이후 다음과 같은 운영 방식으로 발전했습니다.
✅ 1. 시분할 시스템에서 멀티태스킹 시스템으로 발전
- 시분할 시스템의 개념을 확장하여, 사용자가 여러 개의 응용 프로그램을 동시에 실행할 수 있는 멀티태스킹 운영체제(Multitasking OS)로 발전
- 예: Windows, macOS, Linux의 멀티태스킹 환경
✅ 2. 클라이언트-서버 시스템(Client-Server System)으로 확장
- 시분할 시스템은 이후 네트워크를 통한 다중 사용자 지원 개념으로 발전
- 오늘날의 클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing) 및 원격 데스크톱 환경의 기반이 됨
✅ 3. 실시간 운영체제(Real-Time Operating System, RTOS)에서 활용
- 시분할 개념은 임베디드 시스템(Embedded System)과 실시간 운영체제(RTOS)에서도 사용됨
- 예: 자동차 제어 시스템, 로봇 제어, 의료 장비 등의 운영 방식
📌 결론: 시분할 시스템은 현대 운영체제의 기초가 된 혁신적인 개념
시분할 시스템(Time-Sharing System)은 컴퓨터를 여러 사용자가 동시에 사용할 수 있도록 하고, 응답 속도를 빠르게 하며, 멀티태스킹을 가능하게 한 운영 방식입니다.
이 개념은 이후 멀티태스킹 운영체제, 네트워크 운영체제, 클라우드 컴퓨팅, 실시간 운영체제 등으로 발전하였으며,
현대의 모든 운영체제는 시분할 개념을 기반으로 프로세스를 관리하고 CPU를 할당하고 있습니다.