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제3장 운영 체제 구조(Operating-System Structures)
•
Services in 3 Views
» Users : OS서비스
» Programmers : OS의 인터페이스 (system call)
» OS designers : 구성 요소와 그들의 상호 연결(component and
interconnections)
2000 운영체제
3.1
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 구성 (System Components) ~
•
프로세스 관리(Process Management)
» 프로세스 : 실행중인 프로그램(program in execution)
• 프로세스 : active entity : PC(program counter)가 있는 프로그램
• 프로그램 : passive entity: 디스크상의 파일 내용
» 하는 일
• 프로세스의 생성 / 삭제(creation / deletion)
• 프로세스의 중지 / 재수행(suspension / resumption)
• 프로세스의 동기화 (process synchronization)
• 프로세스의 통신 (process communication)
• 교착상태 방지와 회복(deadlock handling)
2000 운영체제
3.2
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 구성 (System Components) ~
•
주기억 장치 관리(Main-Memory Management)
» 하는 일
• 사용 가능한 부분 파악
• 적재할 프로세스 결정
• 필요공간의 할당과 회수
•
파일관리(File Management)
» 하는 일
• 파일의 생성과 삭제
• 디렉토리의 생성/삭제
• 파일과 디렉토리를 관리하기 위한 프리미티브(기본기능)제공
• 보조기억장치에 있는 파일의 사상(mapping)
• 파일 저장
•
입출력 시스템 관리(I/O System Management)
» 하는 일
• 임시저장(buffer-caching)시스템: buffering, caching, spooling
• 일반적인 장치구동기 인터페이스
• 특정 하드웨어 장치들을 위한 구동기
2000 운영체제
3.3
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 구성 (System Components) ~
•
보조기억 장치 관리(Secondary-Storage Management)
» 하는 일
• 비어 있는 공간 관리(free-space management)
• 저장 장소 할당(storage allocation)
• 디스크 스케줄링(disk scheduling)
•
네트워킹(Networking)
» 분산시스템 : memory와 cache를 공유하지 않는 프로세서들이
통신네트워크로 연결된 시스템(high-speed bus나 전화선을 통해 통신)
» 설계시 고려사항
• 경로 설정(routing) 정책
• 접속(connection) 정책
• 충돌(contention) 문제
• 보안(security) 문제
» network access : file access 의 확장
• network interface를 위한 device driver를 이용
2000 운영체제
3.4
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시스템 구성 (System Components)
•
보호 시스템(Protection System)
» 컴퓨터에 의해 정의된 자원들에 대한 프로그램, 프로세스, 사용자들의 사용
권한 접근을 제어하는 기법이 필요
» (예) base와 limit requests for user’s own address space
•
명령 해석기 시스템(Command-Interpreter System)
» command interpreter
• 다음 명령문 받아 실행
» control-card interpreter
» command-line interpreter: command.com
» shell
• user과 OS사이의 interface로서 다음 명령을 받아 실행 (프로세스
관리~보호)
• 위치
» Kernel 안에: 항상 존재(MS-DOS의 내부 명령)
» 보조기억 장치에: 필요할 때만 실행(MS-DOS의 외부 명령, Unix)
» 형태
• user friendly GUI(Graphical User Interface): Macintosh의 mouse-based,
icon-based
• sophisticated user는 복잡하고 배우기 어려워도 Unix shells 같은 강력한
명령 해석기 선호
2000 운영체제
3.5
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운영체제 서비스 (Operating-System Services)
•
•
•
•
프로그램 수행(programs execution)
•
•
•
•
오류 탐지(error detection): I/O, memory, network, program errors
•
OS services 제공 방법:
» system calls : assembly language -> high-level language
» system programming
입출력 작업(I/O operation): file I/O, device I/O
파일 시스템 조작: read/write/create/delete files
통신(communication)
» in the same system -> shared memory
» in the different system -> message passing
자원 할당(resource allocation): multiusers, multiprogramming
회계(accounting): usage statistics
보호(protection)
» 보호(protection) : 정보보호, process보호, 자원보호, 시스템 보호
» 보안(security) : password
2000 운영체제
3.6
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시스템 호출 (System Calls) ~
•
Process -> OS의 기능
system calls
•
고급언어로 직접 호출 : C, Bliss, BCPL, PL/360
(예) fd = open(“file”, 0);
0: r, 1: w, 3:rw
nread = read(fd, buf, n);
•
시스템 호출에 필요한 파라미터 전달
1. 레지스터 전달
2. 파라미터 블록 또는 테이블의 주소를 전달 (그림 3.1)
3. 스택으로 전달
•
시스템 호출형태 5개 그룹 (그림 3.2)
1. 프로세스 제어(process control)
2. 파일 관리(file manipulation)
3. 장치 관리(device manipulation)
4. 정보 유지 보수(information maintenance)
5. 통신(communication)
2000 운영체제
3.7
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Table로 매개변수 전달
2000 운영체제
3.8
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시스템 호출 (System Calls) ~
•
프로세스와 작업 제어(Process and Job Control)
» 작업제어를 위한 시스템 호출들
• 프로세스 제어(load, execute)
• 프로세스 생성(create process or submit job)
• 프로세스 속성 획득과 설정(get process attribute and set process attribute)
• 프로세스 종료(terminate process)
• 시간대기(wait time)
• 사건대기(wait event)
• 사건신호(signal event)
• 기억장치 할당 및 해제: malloc, free
» 디버깅을 위한 시스템 호출들
• 덤프(dump)
• 추적(trace)
» 시간 프로필(time profile) : 특정 부분 수행 시간의 양 trace
» 프로세스 실행 비교(그림 3.3, 그림 3.4)
• single-tasking system MS-DOS: 새 프로세스 생성 없음
» TSR (Terminate and Stay Resident) 프로그램
• 제한적 동시수행: hooks an interrupt 후 TSR system call과 함께 exit:
자신의 subroutine을 interrupt routine으로 설정하여 interrupt를
가로챔
• TSR system call: MS-DOS가 덮어쓰지 못하게 함
• multitasking system UNIX: fork로 새 프로세스 생성 -> exec
» fork, exec 시스템 호출 예제 참조
2000 운영체제
3.9
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MS-DOS 실행
At System Start-up
2000 운영체제
Running a Program
3.10
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UNIX의 다중 프로그램 수행
2000 운영체제
3.11
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시스템 호출 (System Calls) ~
•
화일 관리(File Manipulation)
» 생성(create)
» 삭제(delete)
» 열기(open), 읽기(read), 쓰기(write), 재위치(reposition),
닫기(close)
» 화일 속성 획득과 설정(get file attribute and set file attribute)
•
장치관리(Device Management)
» 요구(request)
» 열기/닫기(open/close)
» 읽기/쓰기(read/write)
» 재위치(reposition)
•
정보 유지관리(information maintenance)
» time
» date
» 사용가능 memory 크기 등
2000 운영체제
3.12
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시스템 호출 (System Calls)
•
통신(Communication) (그림 3.5)
» 메시지 전송 모델(message-passing model )
• get hostid, get processid
• open connection, close connection
• read message, write message
• daemon(accept connection)
» 공유 기억장치 모델(shared-memory model)
• 다른 프로세스에 소유된 기억 장소에 대한 접근을 위한 것
• map memory
• (예) Unix의 shmget, shmat, shmdt, shmctl 등
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3.13
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통신 모델 (Communication Models)
Msg Passing
2000 운영체제
Shared Memory
3.14
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시스템 프로그램 (System Programs)
•
시스템 프로그램의 종류
» 파일 조작:create, delete, copy, rename, print, dump, list..
» 상태 정보:date, time, memory...
» 파일 수정:text editors
» 프로그래밍 언어 지원:compilers, assemblers, interpreters
» 프로그램 적재와 수행:absolute loader, relocatable loaders, linkage
editors, overlay loader, debugging tool
» 통신:e-mail, remote login, telnet
•
명령 해석기: 가장 중요한 시스템 프로그램
» 자체가 실행 코드 가짐: MS-DOS의 command.com
• 명령 첨가하면 재 컴파일
» 실행될 파일 인식 그것에 매개변수 전달: Unix
• (예) delete G: delete 실행 파일 적재 후 실행
• 작고 새 명령 첨가 쉬움
2000 운영체제
3.15
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시스템 구조 (System Structure) ~
•
간단한 구조(Simple Structure)
» MS-DOS
• 최소의 메모리 공간 최대 기능
• 덜 모듈화
• ROM BIOS 직접 이용: low level 기능 직접 접근으로 전체 시스템
crashes 가능
• 하드웨어 보호 없음: dual mode 없음
» 초기 UNIX
• 구성
» Kernel: bulky
» Systems programs
• Kernel의 분할과 축소
» Mach(microkernel: small set of necessary primitives)
» AIX : 2 kernel part
• System Call : programmer interface
• Shell : user interface
2000 운영체제
3.16
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MS-DOS 계층 구조
2000 운영체제
3.17
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UNIX 시스템 구조
2000 운영체제
3.18
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시스템 구조 (System Structure) ~
•
계층적 접근(Layered Approach)
» modular operating system (모듈화된 운영체제)
• 강력한 제어
• 내부 시스템 변경의 자유로움
• 정보 은폐(information hiding)
• 각 운영체재 계층 = 추상 객체(abstract object) 구현: 자료가
캡슐화(encapsulation)된 것
• 자신보다 하위 계층에 의해 제공되는 연산들만 사용
» 장점
• modularity
• debugging쉽고 verification쉽다.
» 단점
• 비효율적
• 처리시간 overhead(일련의 trap의 연속)
» (예)
• THE(Technische Hogeschool Eindhoven) 계층 구조
• Venus 계층 구조
• OS/2 계층 구조 (그림 3.9): multitasking, dual-mode, MS-DOS 보다 더
계층화 됨
• Windows NT: highly layered -> 성능 향상위해 사용자 영역의 계층들을
kernel로 흡수
» 추세: 모듈화 그러나 계층은 적게
2000 운영체제
3.19
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운영체제 계층
2000 운영체제
3.20
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OS/2 계층 구조
2000 운영체제
3.21
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 구조 (System Structure)
•
Microkernel
» Mach(CMU; Carnegie Mellon University)
• microkernel approach
» essential -> kernel
» nonessential -> system and user-level programs
• client와 server는 microkernel에게 message passing하여 교신
• 새로운 서비스 추가되어도 kernel 수정 거의 없음
• 이식성(portability), 보안성(security), 신뢰성(reliability) 좋음
» Digital Unix(OSF/1)
• Unix interface
• Mach kernel로 구현됨: Unix system call들을 사용자 수준 서비스에
대한 message들로 연결
» Apple MacOS X Server
• Mach kernel 기반
» Windows NT
• layered approach
• 다양한 응용(Win32, OS/2, POSIX) 실행 가능
• user space에서 server 및 client 프로그램 실행
• kernel이 client와 server 사이의 message passing 중재
2000 운영체제
3.22
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Windows NT 클라이언트/서버 구조
2000 운영체제
3.23
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
가상 기계 (Virtual Machines) ~
•
•
가상적(Virtual) : illusion(환상)
•
가상기계의 디스크 시스템
» 3 disk drives -> 7 VM
• 가상 디스크(virtual disk, (예) minidisks in IBM)로 해결
• 물리적 디스크에서 필요한 만큼의 track할당
•
가상기계의 운영체제
» 각 사용자기 자신의 OS를 수행
» (예) IBM VM OS의 CMS : single user interactive system
가상기계(Virtual machine) ( 그림 3.11)
» 계층적 접근의 결과
» OS kernel도 bare hardware로 간주
» (예) IBM VM Operating System
» 각 프로세스에게 실제 컴퓨터의 복사본을 제공하여 각 프로세스들이 자신의
프로세서에서 자신의 메모리를 가지고 수행되는 것 같은(모든 하드웨어를
사용하는 것 같은) 환상(illusion)을 만들어 주는 기계
• CPU 스케줄링
• 가상 기억 장치(virtual memory) 기법 이용
2000 운영체제
3.24
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 모델
Non-virtual Machine
2000 운영체제
Virtual Machine
3.25
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
가상 기계 (Virtual Machines) ~
•
가상 기계 소프트웨어가 하는 일
» 실제 기계상에서 가상기계(multiple virtual machine)를 다중 프로그래밍
(multiprogramming)
•
기계의 정확한 복제가 쉬운 일이 아님
» 기계 : 2 modes(user mode, monitor mode)
» 가상기계 소프트웨어 : monitor mode에서 동작(진짜 OS)
» 가상기계 자체는 user mode에서만 동작 : virtual user mode에서 system call ->
virtual monitor mode
•
다중 가상 기계의 다중 프로그래밍
» 매우 느림(특권 명령들을 simulate)
•
가상기계의 장점
» 시스템 자원의 완벽한 보호
• (예) 서로 다른 화일 시스템: cf. UNIX multiuser: 1 화일 시스템
» 시스템 개발 시간의 제거: system programmer의 가상기계에서 시스템 개발
• (Cf.) 보통 시스템에서는 시스템 변경과 검사 동안 시스템 사용 불가
•
가상기계의 단점
» 자원 공유가 어려움
• 해결
1. minisidk를 공유(물리적 공유 디스크를 소프트웨어적으로 구현)
2. 가상기계 네트워크(물리적 통신망을 소프트웨어적으로 구현)
2000 운영체제
3.26
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
가상 기계 (Virtual Machines)
•
•
돌아온 VM
» VMs are coming back into fashion
» 시스템 조화성(compatibility) 문제의 해결책
» (예) SunSparc에서 MS-DOS 프로그램 수행
• 본래의 프로세서 위에 가상 인텔 기계(Virtual Intel machine)를
생성(MS-DOS run)
• Intel 명령을 번역 -> SunSparc 명령어 세트로 변환
• Intel based system에서 수행되는 것 같은 환상 제공
(예)
» VMware
• http://www.vmware.com
» VPC
• http://www.connectix.com/index_win.html
2000 운영체제
3.27
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
 http://www.vmware.com
 컴퓨터 안의 또 하나의 컴퓨터 Virtual Machine을 만들 수 있다. (VM에 다른
OS도 설치가 가능하다.)
 VMware의 시스템요구사항
 펜티엄 II 266MHz 또는 이상의 호환 프로세서 (펜티엄클래식 최소)
 128MB 이상의 RAM (96MB RAM 최소)
 256 이상의 컬러디스플레이
 랜카드 (가상네트워크를 위한 옵션)
 VMware의 버전
 VMware는 Windows NT/2000/XP/2003 버전과 Linux용 버전이 있으며
현재 버전은 4.0 이다.
 간편한 설치와 사용이 쉽다.
 설치는 설치프로그램 실행 만으로 끝.
 Configuration Wizard를 이용해서 쉽게 또 다른 OS를 설치할 수 있다.
 개별 가상 머신은 호스트 컴퓨터로부터 독립적이므로, 가상 머신에서 실
행되는 연산들은 호스트 컴퓨터에 전혀 지장을 주지 않는다.
 가상 디스크를 통해 재파티션 할 필요 없이 새로운 운영체제를 추가 시
킬 수 있다.
2000 운영체제
3.28
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
•
•
 VMware의 동작
Host Operating Systems
» Microsoft Windows NT 4.0
» Windows 2000
» Windows XP
» Windows Server 2003
» Popular Linux distributions
(complete list)
Guest Operating Systems
» Microsoft Windows Server 2003
» Windows XP
» Windows 2000
» Windows NT 4.0
» Windows Me
» Windows 98
» Windows 95
» Windows 3.1
» MS-DOS 6
» Popular Linux distributions
including Red Hat, SuSE, and
Mandrake
» FreeBSD
» Novell NetWare 6.0 and 5.1
2000 운영체제
3.29
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
자바 (Java) ~
•
•
자바 기술: 1995 이후 나타나 Sun Microsystems의 기술
자바 기술의 3 구성요소
» Programming-language specification
• object oriented: class들로 구성
• architecture-neutral: 자바 가상 기계(JVM; Java Virtual
Machine)에서 수행되는 명령어인 바이트코드 출력(bytecode
output, .class) 생성
• distributed: 원래 applets(제한된 자원에 접근하며 웹 브라우저에서
수행되는 프로그램) 지원으로 internet programming에서 인기,
networking 지원, distributed objets(RMI; Remote Method
Invocation) 지원
• multithreaded language: multiple flows of control
• secure: Chapter 19
• memory managing: garbage collection
» API(Application-Programming Interface)
• base API: graphics, I/O, utilities, networking(java.lang, java.awt,
java.io, java.net) 지원
• standard API: enterprise, commerce, security, media 지원
» Virtual machine specification
• JVM: class loader와 Java interpreter로 구성
» class loader: .class files 적재
» Java interpreter: interpreter 또는 JIT(just-in-time) compiler
• Java platform: JVM + Java API
2000 운영체제
3.30
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
자바 (Java)
•
•
Java platform
» 구현 방법
• on top of a host OS: Unix, Windows
• as part of a web browser: Micosoft Explorer, Netscape
communicator
• in hardware: cellular phones
» Java application 또는 applet이 실행 (main() method 실행) 될 때마다
JVM의 instance 생성
» 구현방법은 시스템 마다 다르나 표준적인 프로그래밍
인터페이스(architecture-neutral interface) 제공
Java 개발 환경
» compile-time environment: java source(Java program 또는 applet)를
bytecode로 변환
» run-time environment: host computer를 위한 Java platform(JVM)
Java compiler -> byte code -> JVM -> 기계어 명령 -> H/W(그림 3.15)
2000 운영체제
3.31
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
자바 가상 기계 (Java Virtual Machine)
2000 운영체제
3.32
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
자바 플렛폼 (Java Platform)
2000 운영체제
3.33
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
플렛폼에 무관한 Java .class 파일
2000 운영체제
3.34
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
자바 개발 환경 (Java development environment)
2000 운영체제
3.35
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 설계 및 구현 (System Design and Implementation) ~
•
설계 목적(Design Goals)
»
최상위 결정
•
하드웨어와 시스템 형태(batch, time-shared, single-user, multiuser,
distributed, real-time, general-purpose)
»
Requirements(요구사항)
•
사용자 목적(User goals)
» 배우기 쉽고(easy to learn),
» 사용하기 쉽고(easy to use),
» 신뢰할 수 있고(reliable),
» 안정적이고(safe),
» 빠를 것(fast)
•
시스템 목적(System goals)
» 설계, 구현, 유지가 쉽고(easy to design, implement, maintain),
» 유연하고(flexible),
» 신뢰할 수 있고(reliable),
» 오류 없고(error-free),
» 효율적일 것(efficient)
2000 운영체제
3.36
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 설계 및 구현 (System Design and Implementation) ~
•
기법과 정책(Mechanisms and Policies)
»
기법(Mechanisms) : how to do something
•
»
정책(Policies) : What will be done
•
»
»
•
A general mechanism이면 정책 변경이 몇몇 매개변수 변경만 유도
•
(예) CPU-intensive VS I/O intensive 정책
Microkernel-based OS(Mach)
기법과 정책의 확실한 분리
Apple Mac OS
•
»
(예) timer out 시간 결정
정책 결정 -> 기법 결정
•
»
(예) CPU 보호 기법은 Timer로
기법과 정책의 혼합(interface가 Kernel안에 -> Same look& feel)
정책결정은 자원 할당과 스케줄링에 중요
2000 운영체제
3.37
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 설계 및 구현 (System Design and Implementation) ~
•
구현(Implementation)
» OS를 고급언어로 구현하는 추세
• 최초: Burroughs computer의 Master Control Program(MCP) : ALGOL의 변형
• MULTICS(MIT) : PL/1
• Prime Computer의 Primos OS : FORTRAN의 일종
• UNIX, OS/2, Windows/NT(C++ 약간) : C
• UNIX: CPU Scheduler와 device deriver 부분의 6%인 900여줄만 Assembly어로 쓰임,
94%는 C로
• JVM: Java
» OS를 고급언어로 구현하는 장점
• 1. Faster writting : 코드작성이 빠르고
• 2. Compact codes : 코드가 간결하고
• 3. Easier to understand and debug : 이해와 수정이 쉽고
• 4. Easier to port : 쉽게 이식됨
» MS-DOS : 8088 assembly어로 쓰임 -> Intel 계열 CPU에만
» Unix : C로 쓰임 -> Intel 80X86, Motorola 680X0, SPARC, MIPS RX000
» OS를 고급언어로 구현하는 단점
• 1. Reduce speed :속도가 느리고
• 2. Increase storage : 기억장치가 많이 필요
• 그러나 좋은 Compiler로 보완
• 성능의 관건 : 자료구조와 알고리즘 (code가 assembly로 되었거나 고급언어로
되었거나)
• 성능향상
» critical routines(memory manager, CPU scheduler)의 병목(bottlenecks) ->
assembly어로 대체
2000 운영체제
3.38
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영
시스템 설계 및 구현 (System Design and Implementation)
•
시스템 생성(System Generation)
» OS는 다양한 기종에 수행되어야 하므로 특정 컴퓨터 site를 위해 시스템을
configure/generate(구성/조립/생성)
» SYSGEN(특별 프로그램) : System generation
» 질문
• What CPU is to be used? 사용 CPU는?
• How much memory is available? 사용가능한 기억장치는?
• What devices are avilable? 사용가능한 주변장치는?
• What operating-system options are desired, or what parameter values are to be
used? 운영체제 안에 선택사항과 매개변수는?
» 보통은 컴파일해서 OS의 새 버전 생성(Tailored)
» 다른 방법
• 1. Precompiled library : 미리 준비된 라이브러리에서 선택
(예) device driver 선택 (재 컴파일 없고 시스템 생성 빠르나 너무 일반적일 수 있음)
• 2. Table driven : 모든 코드는 항상 시스템 안에, 시스템 테이블의 값대로 실행시간에
선택 (시스템 테이블 생성만으로 시스템 생성)
» OS가 생성되면(generation) -> hardware가 booting하여 이용
• ROM의 bootstrap loader 또는 bootstrap program -> OS load
• MS-DOS : bootstrap loader -> bootstrap program(보조기억 장치안에) -> OS load
2000 운영체제
3.39
인천대학교 컴퓨터공학과 성미영