[운영체제] 13장 I/O Systems

I/O Hardware

I/O devices -> 모니터, 마우스 와 같이 입출력을 담당하는 장치

Common concepts

>Port – 포트번호와 연결

>Bus (daisy chain or shared direct access) - I/O 디바이스 끼리 연결을 도와줌

>Controller (host adapter) - I/O장치의 제어와 타이밍을 조절함

 

A Typical PC Bus Structure -> I/O 디바이스 구조

데이터를 주고받을 때 디바이스 안에 내장되어 있는 컨트롤러를 통해서 디바이스를 제어를 하고 PCI bus를 통해 전송함

 

 

Device Controller -> 디바이스 간의 통신을 도와줌

>I/O devices 구성요소

기계적인 요소

전기적인 요소 - > Device Controller라고 함

>The electronic component is the device controller

- 전기적인 요소를 Device Controller라고 함

>Controller’s tasks

들어오는 데이터를 디스크에 쓰는 역할을 하고 하드웨어적인 에러 컬렉션기능도 수행함

메인메모리를 사용하게끔 만들어줌

 

 

Direct I/O(메인메모리의 주소체계에 속하지 않는 주소체계인 I/O 포트 넘버를 사용하여 할당함 -> I/O 포트 넘버에 접근하기 위해서는 다른 방식이 필요함, 인텔프로세스에서 사용 중) -> I/O디바이스에서 데이터를 받아올 때 어떻게 해야할까?

-> 어떠한 주소를 가지고 데이터를 불러오게 해야함.

-> 표에 나와 있는 주소 값을 통해서 정보를 가지고 오는 동작을 진행할 수 있음.

 

 

Memory-Mapped I/O

->Direct I/O 방식과 반대되는 방식

->메인메모리의 주소체계와 I/O 디바이스의 주소체계를 하나로 통합해서 같이 사용하는 것

장점 : 하나로 통합해서 사용하기 때문에 주소 값 자체로 메인메모리 주소인지 I/O디바이스 주소인지 구분이 가능함 -> 일반적인 명령어를 사용하여 I/O디바이스에 접근이 가능함

 

I/O 디바이스 – I/O 디바이스에서 이벤트가 들어오면 Interrupt가 걸림

Polling vs. Interrupts

Polled I/O

-> I/O 디바이스에 변화가 있는지 지속적으로 감시를 하는 방식

-> CPU와 I/O 컨트롤러의 작업이 끝났는지 주기적으로 loop를 돌면서 전달을 반복하는 방시

-> 반복적으로 진행되기 때문에 상당히 비효율적임 -> 이에 따라 Interrupt이 나옴

-> 네트워크 장치에서 많이 사용

 

Interrupt-driven I/O

-> HW 컨트롤러가 자신의 상태가 바뀔 때마다 CPU에게 통보를 하는 방식

->Polling보다는 효율적임

단점

높은 처리량을 요구하는 I/O 장치에서는 오버헤드가 많아짐

 

>>키보드와, 마우스 같이 대기시간이 긴 장치에 대해서는 interrupt방식을 사용함

 

Interrupt-Driven I/O Cycle -> Interrupt 과정

앞에서 배움

 

Intel Pentium Processor Event-Vector Table

-> Interrupt 예제

 

 

Direct Memory Access(DMA)

-> 디스크가 데이터를 읽어서 메모리에 가져다 놓을 때 CPU가 계속해서 중재를 하게 되면 CPU가 하는 일이 많아지기 때문에 디스크 컨트롤러가 직접메모리에 올려놓는 방식

I/O 디바이스가 직접 메모리에 접근을 해서 데이터를 올려놓고 받아옴.

-> CPU의 개입 없이 주변장치에 데이터를 직접 전송할 수 있음(장점)

Interrupt 발생 횟수를 줄여주어 시스템 효율을 높여줌.

 

DMA 데이터 전송 과정

-> DMA 컨트롤러가 CPU memory bus를 통해서 CPU와 통신을 하고 있음.

DMA 컨트롤러는 PCI bus를 통해서 다른 I/O 장치와 통신할 수 있게 해줌

-> CPU가 명령을 DMA에게 주어서 수행하게 함

-> DMA가 CPU의 일을 대신해줌

 

 

DMA

DMA의 동작 모드

>Cycle stealing

- DMA 컨트롤러와 CPU가 동시에 bus를 사용하고자 할 때 속도가 빠른 CPU가 속도가 느린 DMA에게 bus 사용 우선순위를 주어서 빠른 입출력을 가능하게 하는 것

>Burst mode

- 전체 데이터 블록을 하나의 연속된 시퀀스로 전송을 하는 방식

- CPU로부터 전송 권한을 받아서 전송함 -> 블록 전송모드라고 말하기도 함

>>DMA는 각 디바이스가 I/O장치에 직접 접근을 가능하게 하는 것

 

 

Addressing in DMA -> DMA에서 사용하는 주소

-> Physical address 대부분 사용

-> Virtual address – 거의 사용x

 

Application I/O Interface

동일한 기기를 묶어서 동일하게 하드웨어기능을 수행 할 수 있게 명령어를 system call을 통해 내림. -> I/O 시스템 콜을 통해서 하드웨어를 제어함 -> 캡슐활 필요

-> 회사별로 구분이 없이 장치로만 인식해서 사용 가능하게 해줌

디바이스들을 분류할 수 있음 (읽어볼 것)

 

A Kernel I/O Structure -> 커널 입출력 구조(계층적 구조)

각각의 디바이스를 컨트롤러가 제어를 함

->여러 입출력 하드웨어들의 차이를 숨기고 간단한 표준 인터페이스로 제어를 가능하게 해서 상위의 커널 입출력 서브시스템에게 제공함. -> 입출력 서브시스템은 하드웨어와 독립적인 운영이 되어서 운영체제 개발자의 작업을 간단하게 해줌

ex. cin을 입력했을 때 모든 기종의 키보드로 입력이 가능한 이유

 

 

Block and Character Devices

Block Devices – 개별 장치 바이트 단위가 아닌 블록단위로 접근하는 장치, H/D, 대용량 저장장치 -> 명령어 – read, write, seek

Character Devices – 한 번에 한문자 씩 전송하는 장치

명령어 get, put을 통해 제어를 함

 

 

Network Devices -> 데이터를 패킷 단위로 받아옴

-> 패킷을 IP 프로토콜을 처리해 주어야함(운영체제에서 처리를 해서 운영 단으로 보내는 처리를 해야함)

 

 

Clocks and Timers

Clocks – 컴퓨터를 끄더라도 시간은 지속적으로 카운트되게 해주는 것(현재 시간 유지)

Timers – RR등에서 정해진 타임퀀텀만큼 지속적으로 인터럽트를 거는 것

 

 

Blocking(어떠한 것을 막는 것) and Nonblocking I/O

>Blocking I/O

-> 시스템 콜이 들어오면 커널은 I/O작업이 완료되기 전에는 응답을 하지 않는 것(다른 작업을 수행하지 못하게 하는 것, ex. cin)

-> I/O작업 수행이 완료되기 전까지는 권한을 커널이 가지고 있음

>Nonblocking I/O

-> 시스템 콜이 들어오면 커널이 I/O 작업을 하는 것과 무관하게 응답을 줌 -> 커널이 권한을 바로 유저 프로세스에게 넘김 -> 유저 프로세스는 I/O작업이 완료되기 전에도 다른 작업을 수행할 수 있음, 유저 프로세스가 중간 중간 시스템 콜을 보내서 I/O가 완료가 되었는지(커널에게 물어봄) 확인하는 과정이 있음

 

 

Kernel I/O Subsystem

-> 커널과 디바이스 드라이버 사이에 존재

-> I/O 디바이스 장치(느림)와 CPU(빠름) 간에 처리속도 동기를 맞춰주는 역할을 함

 

Sun Enterprise 6000 Device-Transfer Rates

-> 각 기기들 전송비율이 다름

 

 

Kernel I/O Subsystem

-> 성능을 높이기 위한 방법

>Caching – 앞에서 많이 배움

>Spooling – 버퍼(메인메모리에서 수행)와 유사, 파일로 저장을 해서 버퍼기능 수행, ex. printing(파일단위로 스케줄이 정리됨)

>Device reservation

 

 

Error Handling -> 에러 발생을 잘 처리해야함

 

 

Life Cycle of An I/O Request

-> 시스템 콜을 통해서 커널 모드로 들어가서 처리가 필요

-> 캐시메모리부터 확인(요청이 오면 우선적으로 수행)

 

 

Device-Functionality Progression

운영체제 위에서 프로그램을 구현하는 것이 좋음

-> 아래쪽으로 갈수록 코딩이 어려워짐

-> but 아래쪽에서 구현하는 것이 빠름

-> 아래쪽이 비용(시간)이 많이 나옴

-> 추상화는 위로 갈수록 편해짐 -> 그러나 아래로 갈수록 추상화가 많아짐

-> read와 같은 명령을 application 단에서 구현한다면 세세한 작동들도 구현을 해주어야함 -> 이렇게 되면 더 번거로워진 것임 -> 아래에서 구현이 되어있지 않다면 위로 갈 수 록 번거로워짐 -> 알고리즘 소스코드는 하드웨어 단에 있어야 손쉽게 사용이 가능함 -> 어느 레벨 단에서 구현하는지가 중요한 아래 레벨에서 구현될수록 위에서 사용될 때 추상화정도가 높아짐

-> 위로 갈수록 수정에 대한 유연성이 높아짐

 

 

I/O Systems Layers

13장에서 가장 중요한 그림

프로그램에서 I/O를 요청하게 되면 -> Device-independent software를 통해서 디바이스 드라이브 요청을 보냄 -> Device drivers는 하드웨어로 컨트롤러에 의해서 보내게 됨 -> 하드웨어는 컨트롤러에 의해서 제어가 되어서 결과 값을 받아오게 되면 결과 값을 Interrupt handlers를 통해서 데이터를 주고 Interrupt handlers의한 결과는 Device driver를 통해서 올려 보내고 Device-independent software를 통해서 유저프로세스에게 I/O에 대한 응답을 줌

>>핵심내용