I/O HardWare
I/O 장치의 종류
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Storage (저장장치) : SSD, HDD, DVD-ROM
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Transmission (전송장치) : 네트워크 카드, 모뎀
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Human-Interface (사용자 인터페이스 장치) : 모니터, 키보드, 마우스
I/O 장치와 컴퓨터 시스템 사이의 통신
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Port : 장치를 위한 연결 점 (각 I/O 장치가 연결되어 있음)
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Bus : 여러 장치들이 공용하는 와이어 집합
(구현 방법 : daisy chain, shared direct access)
daisy chain : port와 연결된 I/O chain
shared direct access : common bus가 여러개의 I/O 장치들에 연결됨
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Controller : Port, Bus, I/O 장치들을 운영함
Typical Bus Structure
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PCIe bus : 프로세서 - 메모리 부시스템과 고속 장치의 연결
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Expansion bus : 저속 장치의 연결 (키보드. 병렬 포트, 직렬 포트)
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SCSI bus(SAS) : 고속 디스크들의 연결
Controller 와 컴퓨터 프로세서의 통신
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컴퓨터 프로세서는 Controller의 register에 비트 패턴을 쓰거나 읽음으로 입출력을 실행합니다.
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Memory Mapped I/O
◦
Controller의 register들이 프로세서의 주소 공간으로 대응되는 방식입니다.
◦
register들이 프로세서의 메모리 주소 공간과 일대일 대응하여, 메모리 주소에 데이터를 읽고 쓰는 것으로 장치 제어기의 레지스터에 직접 데이터를 읽고 쓰는 역할을 수행합니다.
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register 구성
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Status register : 장치의 상태
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Control register : 장치 모드의 변경
◦
Data-In register : 입력용 자료 레지스터
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Data-Out register : 출력용 자료 레지스터
Polling (폴링 / Programmed IO)
정의
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Host(CPU)와 I/O 장치 간의 통신을 위한 프로토콜 입니다.
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Processor(CPU)가 주기적으로 I/O 장치의 상태 확인
◦
모든 I/O 장치를 순환하면 확인
◦
전송 준비 및 전송 상태 등
Busy Bit
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Controller는 Status register의 Busy Bit를 통해 상태를 지정합니다.
◦
1 : 명령어를 수행하는 중
◦
0 : 명령어 수행을 완료 후, 다음 명령어를 기다리는 상태
Command-ready Bit
•
Host는 Command register의 Command-ready Bit를 통해 상태를 지정합니다.
◦
1 : Controller에게 명령어를 전달한 상태
◦
0 : Controller가 명령어 수행을 완료한 상태
작동 방식
1.
Host는 Controller의 Busy Bit가 0이 될 때까지 반복적으로 판독합니다.
a.
Busy waiting Loop 발생
2.
Host는 Command register의 Write Bit를 설정 후, Data-Out register에 작성합니다.
3.
Host는 Command-ready Bit를 설정 합니다.
4.
Controller가 Command-ready Bit가 설정되었음을 알아차리고, Busy Bit를 설정합니다.
5.
Controller는 Command register를 판독하여 명령이 write임을 파악 후, Data-Out Register를 판독하여 2)번에서 작성된 바이트를 가져와서 장치에 출력(excute transfer)합니다.
6.
Controller는 명령어 수행이 완료되었다는 의미로, Command-ready Bit를 클리어 합니다.
그 후, 입출력 성공을 알리기 위해서는 Status register의 error Bit 와 Busy Bit를 클리어 합니다.
Busy Waiting 발생
•
1번 과정에서 장치로부터 입출력 완료를 대기하는 과정에서 발생
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입출력 장치가 느리다면, 비효율성을 초래합니다.
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Controller가 CPU에게 통보하는 Interrupts방식이 더 효과적입니다.
•
장점
◦
Simple
◦
I/O 장치가 빠르고, 데이터 전송이 잦은 경우 효율적
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단점
◦
Processor의 부담이 큼
◦
Pooling overhead (I/O device가 느린 경우)
Interrupts (인터럽트)
정의
•
CPU는 각 명령어 실행 이후에 Interrupt request line을 확인하여 Controller에 의해 전송된 인터럽트가 있는지 검사합니다.
•
CPU(Processor)가 인터럽트 신호를 감지하면, 현재 상태를 저장 후 Interrupt handler routine으로 이동합니다.
•
Interrupt Handler는 인터럽트를 분석하고 해당 처리를 수행한 후, return from interrupt 명령을 수행하여 인터럽트 전의 상태로 복귀합니다.
•
I/O 장치가 작업을 완료한 후, 자신의 상태를 CPU(Processor)에게 전달
•
Interrupt 발생 시, Processor(CPU)는 데이터 전송 수행
인터럽트 handler에서 받는 interrupt 종류
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Maskable interrupt : 일반적인 인터럽트 - 무시되거나 연기될 수 있습니다.
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NonMaskable interrupt : 매우 중요한 인터럽트 - 즉시 처리되어야 합니다.
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correct handler로 인터럽트를 보내는 인터럽트 벡터
◦
시작 및 종료 시 컨텍스트 스위치
◦
우선 순위 기반
◦
일부 NonMaskable
◦
동일한 인터럽트 번호에 둘 이상의 장치가 있는 경우 interrupt chain
Interrupt 정의(추가)
•
예외 처리에도 사용되는 인터럽트 메커니즘
◦
프로세스 종료, 하드웨어 오류로 인한 시스템 충돌
•
메모리 액세스 오류 시 페이지 폴트 실행
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트랩을 통해 시스템 콜이 실행되어 커널이 요청을 실행하도록 트리거합니다. (sw interrupt)
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다중 CPU 시스템은 인터럽트를 동시에 처리할 수 있습니다.
◦
운영 체제가 이를 처리하도록 설계된 경우
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시간에 민감한 처리에 자주 사용되며 신속해야 함
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장점
◦
Pooling 대비 low overhead
◦
불규칙적인 요청 처리에 적합
•
단점
◦
Interrupt handling overhead
Direct Memory Access (직접 메모리 접근, DMA)
정의
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용량이 큰 데이터의 이동을 위하여 programmed I/O 방식을 회피하는 것
Programmed I/O (one byte at a time) :
상태 비트를 감시하고 한번에 1바이트씩 controller register에 옮기는 것
•
Processor(CPU) controlled memory access 방법
◦
Processor(CPU)가 모든 데이터 전송을 처리해야 함
▪
High overhead for the Processor(CPU)
•
Direct Memory Access
◦
I/O 장치와 Memory 사이의 데이터 전송을 Processor(CPU) 개입 없이 수행
◦
Processor(CPU)는 데이터 전송의 시작/종료 만 관여
작동 방식
1.
DMA 전송을 초기화 하기 위해서,
Host(CPU)는 DMA command block (명령어 블럭)을 메모리에 작성합니다.
DMA command block : 아래 항목들을 포함
- Source and Destination addresses
- Read or Write mode
- Count of bytes : 전송 바이트 수의 카운터
2.
CPU는 DMA command block의 주소를 DMA controller(DMA 제어기)에 기록 후,
다른 작업을 계속합니다.
3.
DMA Controller는 직접 메모리 버스를 운영하여 한 워드씩 전송합니다.
Direct Virtual Memory Access (직접 가상 메모리 접근, DVMA)
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Memory Space가 Virtual Address Space를 인지하고 있기 때문에, 더 효율적 입니다.
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CPU의 interrupt와 Main Memory 사용 없이 두개의 메모리 대응장치 사이에서의 전송 가능
Application I/O Interface
I/O 장치들이 일관된 방법으로 다루어 질 수 있도록, 운영체제가 인터페이스를 구성하는 기술을 설명합니다.
인터페이스 : 공통적인 특징을 가진 I/O 장치들의 표준 함수
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Device Driver라 불리는 커널 내의 모듈들은 각 I/O 장치들을 위한 구체적인 소스 코드들을 제공하여 바로 위에서 정의한 "인터페이스"의 표준 함수들을 내부적으로 수행합니다.
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Device Driver 계층의 목적
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여러 I/O 하드웨어들의 차이점을 숨기고, 이들을 간단한 표준 인터페이스들로 보이도록 포장하는 것 입니다.
◦
이렇게 포장된 것 들은 상위의 kernel I/O subsystem에 제공됩니다.
◦
이렇게 되면, I/O subsystem은 하드웨어와 독립적으로 되어서 운영체제 개발자의 작업을 간단하게 해줍니다.
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한가지 문제점은 운영체제마다 장치 드라이버 인터페이스에 대한 규격이 다르다는 것 입니다.
◦
따라서 새로운 장치를 위한 드라이버가 함께 제공되어야 합니다.
Kernel I/O Subsystem
커널은 입출력과 관련된 많은 서비스를 제공합니다.
I/O services
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I/O scheduling, buffering, caching, spooling, device reservation, and error handling, I/O protection
1.
Scheduling
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입출력 요청에 대한 처리 순서 결정
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시스템의 전반적 성능 향상
◦
Process의 요구에 대한 공평한 처리
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E.g., Disk I/O scheduling
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운영체제 개발자들은 waiting queue를 이용하여 구현하고 있습니다.
2.
Buffering
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I/O 장치와 응용프로그램 사이에 자료가 전송되는 동안에, 그 자료를 임시로 저장하는 메모리 영역입니다.
◦
I/O 장치와 Program 사이에 전송되는 데이터를 Buffer에 임시 저장
◦
전송 속도 (or 처리 단위) 차이 문제 해결
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필요한 이유
◦
자료의 생산자와 소비자 사이에 속도가 다른 것에 대처하기 위함이다.
이중버퍼링(double buffering)을 이용하여 자료의 생산자와 소비자간의 속도 차이를 흡수 할 수 있다.
◦
서로 다른 장치들 사이에 사용되는 자료 전송 크기가 다른 것을 극복하기 위한 것이다. 특히 컴퓨터 네트워킹에서 많이 발생하며 송신자의 큰 패킷을 작은 패킷으로 나누어 전송하며 수신자는 나누어진 패킷을 버퍼에서 결합한다.
◦
응용프로그램의 copy semantic를 지원하기 위함이다. 이는 디스크에 쓰기를 할 때 호출할 시점의 버퍼에 있는 내용만 디스크에 쓴다는 것을 보장한다.
3.
Caching
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캐시는 자주 사용될 자료의 복사본을 저장하는 빠른 메모리 영역이다.
◦
자주 사용하는 데이터를 미리 복사해 둠
◦
Cache hit시 I/O를 생략 할 수 있음
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캐시된 복사본을 사용하는 것이 원래 자료를 사용하는 것보다 더 효율적이다.
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캐싱과 버퍼링은 두 가지 서로 다른 기능이지만 메모리의 한 영역이 두 가지 목적 모두를 위해 사용될 수도 있다.
버퍼들은 읽기/쓰기가 빈번하거나 또는 프로세스들 간에 공유되어야 하는 파일들을 위한 캐시로도 사용될 수 있다.
4.
Spooling
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교차해서 동작될 수 없는 프린터 같은 장치를 위해, 출력 자료를 보관하는 버퍼 입니다.
◦
한 I/O 장치에 여러 Program이 요청을 보낼 시, 출력이 섞이지 않도록 하는 기법
▪
각 Program에 대응하는 disk file에 기록 (spooling)
▪
Spooling이 완료 되면, spool을 한번에 하나씩 I/O 장치로 전송
•
많은 응용프로그램들이 출력 자료를 만들어 내면 각 출력들이 다른 프로그램의 출력과 섞이지 않도록 운영체제는 모든 출력을 가로챔으로써 이 문제를 해결한다.
5.
Error Handling
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보호되는(protected) 메모리를 사용하는 운영체제는 많은 종류의 하드웨어 및 응용 프로그램 오류에 대처할 수 있으며 그러한 오류가 일어나도 시스템 전체의 마비로까지 확대되지 않는다.
◦
장치 사용 불가, 일시적인 오류에서의 복구
◦
E.g., disk access fail, network communication error 등
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I/O device information managements
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입출력 중 발생하는 오류 처리
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오류 빈도 추적, 재시도 가능한 오류들의 빈도 증가 → 장치 사용 중지
◦
I/O 요청이 실패하면 대부분 오류 번호 또는 코드를 반환
◦
시스템 오류 로그에는 문제 보고서가 포함
6.
I/O Protection
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사용자 프로세스는 고의든 아니든 불법적인 입/출력 명령을 시도함으로써 정상적인 동작을 방해 할 수 있다.
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사용자가 불법적인 입/출력을 못하게 하기 위해 모든 입/출력 명령은 특권 명령(privileged instruction)으로 정의한다.
따라서 사용자는 입/출력 명령을 직접 실행할 수 없다. 대신 운영체제가 입/출력을 실행하도록 시스템 호출을 실행 한다.
7.
Device reservation
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장치에 대한 독점 접근(access)를 제공
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할당 및 할당 해제를 위한 시스템 콜
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교착 상태에 주의
Kernel Data Structure
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커널은 입/출력 구성 요소에 대한 상태 정보를 유지해야 한다.
커널은 네트워크 연결, 문자 장치 통신 그리고 다른 입/출력 활동을 관리하기 위해 여러 비슷한 구조를 사용한다.
