[OS] I/O Systems

최신 I/O 시스템

엄청나게 많은 종류의 I/O 장치

• CPU는 장치 컨트롤러와 상호 작용
  
  • 장치 컨트롤러에는 읽고 쓸 수 있는 일련의 레지스터가 포함

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프로그래밍된 I/O

포트 I/O

• 특수 프로세서 명령어는 데이터를 전송하는 데 사용
  
  • 인텔 아키텍처의 인/아웃 명령
• 각 장치는 서로 다른 I/O 포트를 사용(포트 번호)

메모리 매핑 I/O

• 장치 컨트롤러의 레지스터는 물리적 주소 공간에 매핑
  
  • 주소는 하드웨어 점퍼 또는 부팅 시 프로그래밍에 의해 설정
• I/O는 로드 및 저장 명령으로 수행
• I/O 주소 공간은 시스템 메모리 주소 공간의 범위를 차지하므로 프로세스에 사용할 수 없다.

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직접 메모리 액세스

직접 메모리 액세스

• 대규모 데이터 이동을 위해 프로그래밍된 I/O를 방지하는 데 사용
• DMA 컨트롤러에 메모리 버스에 대한 액세스 권한을 부여
• I/O 장치와 메모리 간에 데이터를 직접 전송하기 위해 CPU를 우회
• DMA 전송을 수행하기 위한 6단계 프로세스

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폴링(Polling) vs 인터럽트(Interrupt)

OS는 I/O 장치가 작업을 완료한 시점을 알아야 한다.

인터럽트(Interrupt)

• I/O 장치는 서비스가 필요할 때마다 인터럽트를 생성
• 예측할 수 없는 이벤트를 잘 처리
• 장치 드라이버에서 처리

폴링(Polling)

• I/O 장치는 완료 정보를 상태 레지스터에 넣는다.
• OS는 장치별 상태 레지스터를 주기적으로 확인
• I/O 작업이 드물거나 예측할 수 없는 경우 많은 주기를 낭비

일부 장치는 폴링과 인터럽트를 모두 결합

• 예) 고대역폭 네트워크 장치
  
  • 처음 들어오는 패킷에 대한 인터럽트
  • 다음 패킷에 대한 폴링

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장치에 대한 표준 인터페이스

블록 장치(Block Devices)

• 데이터는 블록 단위로 액세스
• 예) 하드 디스크, 테이프, SSD
• 명령 : read(), write(), seek()
• 파일 시스템 또는 원시 I/O 액세스

문자 장치(Character Devices)

• 예) 키보드, 마우스, 프린터
• 한 번에 단일 문자
• 명령 : get(), put()

네트워크 장치(Network Devices)

• 예) 이더넷, 무선, 블루투스
• Unix 및 Windows에는 소켓 인터페이스 포함
• 명령 : create(), connect(), listen(), accept(), send(), receive()

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블로킹 및 논블로킹 I/O

블로킹(Blocking) I/O - “Wait”

• I/O가 완료될 때까지 프로세스가 일시 중지
• 데이터를 요청하면(예: read() 시스템 호출) 프로세스는 데이터가 준비될 때까지 휴면 상태
• 데이터를 쓸 때(e.g. write() 시스템 호출) 프로세스는 데이터가 쓰여질 때까지 휴면 상태

논블로킹(Non-blocking) I/O - “Don’t Wait”

• 성공적으로 전송된 바이트 수와 함께 읽기 또는 쓰기 요청에서 신속하게 반환

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커널 I/O 서브시스템

I/O 서브시스템

• 장치 출력에 대한 간단한 예

int fd = open("/dev/something");
for (int i=0; i<1; i++) {
	fprintf(fd, "Count%d\n", i);
}
close(fd);

• 이 코드는 다양한 장치에서 작동
• I/O 하위 시스템은 다양한 장치에 표준 인터페이스 제공
  
  • create, open, read, write, close 등
• I/O 하위 시스템은 장치 드라이버와 협력하기 위한 프레임워크 제공

장치 드라이버

• 장치 하드웨어와 직접 상호 작용하는 커널의 장치별 코드

 

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커널 I/O 서브시스템

I/O 스케줄링

• I/O 성능 향상을 위해 I/O 요청을 재정렬
• 예) 디스크 I/O 스케줄링 – SSTF, SCAN, C-SCAN 등

버퍼링

• 장치 간 전송 중에 데이터를 메모리에 저장
  
  • 장치 속도 불일치에 대처하기 위해
  • 장치 전송 크기 불일치에 대처하기 위해

캐싱

• I/O 성능 향상을 위해 빠른 메모리에 데이터 복사본을 보관

스풀링

• 인터리브된 데이터 스트림을 허용할 수 없는 장치에 대한 출력을 보유
• 예) 인쇄기

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커널 I/O 서브시스템

블로킹 읽기 요청 예시

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요약

• 장치와 메모리 간의 데이터 이동
  • 프로그래밍된 I/O로 CPU에 의해 수행되거나 DMA 컨트롤러로 오프로드
• OS
  • 인터럽트 및 폴링을 통해 I/O 장치가 작업을 완료한 시점을 알고 있다.
• 응용 프로그램 인터페이스 : I/O 장치
  • 블록 장치
  • 문자 장치
  • 네트워크 장치
• I/O 하위 시스템
  • 장치 드라이버와 협력하기 위한 프레임워크뿐만 아니라 다른 장치에 대한 표준 인터페이스 제공
  • I/O 스케줄링, 버퍼링, 캐싱 및 스풀링과 같은 다양한 서비스 제공