💡12장 목표

• I/O 하드웨어
• Application이 I/O interface를 어떻게 사용하는지
• I/O Subsystem
• I/O요청을 하드웨어 작동으로 바꾸는 것
• STREAMS
• 성능

커널은 프로세스 동기화, 메모리 관리, 파일 관리, I/O관리 등을 하는데 그 중 I/O 관리를 살펴본다.

• 시스템은 다양한 I/O 디바이스를 포함한다. (스토리지, 네트워크 장치, 키보드 같은 입력 장치 등)
• 각 디바이스는 고유한 특성과 작동방식을 가지고 있어서 해당 디바이스를 제어하는 컨트롤러를 가진다. 이 컨트롤러가 OS 간 통신 담당
  • 디바이스 컨트롤러가 각 디바이스별로 처리하고,
  • 그 위에 있는 I/O subsystem이 공통 처리를 진행

🔹I/O Hardware

I/O 관련 하드웨어

• 저장 장치(하드디스크, SSD 등), 전송 장치(네트워크 등), 사용자 인터페이스(키보드 등) 장치 등 다양한 종류가 존재

이 장치들과 컴퓨터 연결

• Port: 디바이스 연결을 위한 것(ex. USB포트, 랜포트), I/O디바이스와 컴퓨터가 연결되는 지점
• Bus: 데이터 전송 경로, 버스에 다양한 디바이스가 직렬로? 체인처럼 연결되있는 Daisy chain 방식으로 연결
  • PCI bus: 메인 버스
  • expansion bus: 느린 I/O장치를 위한 버스
  • SAS: 디스크 인터페이스

Fibre channel(FC)

• 고속 데이터 전송을 위해 설계된 컨트롤러

Register

• 각 디바이스는 명령어, 주소, 데이터 등을 저장하기 위한 레지스터를 가진다(디바이스 컨트롤러의 데이터 저장). CPU가 이 레지스터에 접근
  • data-in register
  • data-out register
  • satus register: 디바이스 현재 상태 정보
  • control register: 디바이스 동작 제어 명령 저장

Address

• 각 디바이스는 고유한 주소를 가진다. OS가 여러 디바이스를 구분하기 위해 이 주소를 사용한다.
  • Direct I/O instruction: 주소로 직접 통신, 명령어
  • Memory-mapped I/O: 디바이스의 레지스터가 프로세스의 주소 공간에 매핑
    

Polling

CPU가 I/O장치의 상태를 주기적으로 확인하여 데이터 전송을 관리하는 것

• CPU가 I/O 디바이스에게 일을 시키는 경우

  1. 컨트롤러 busy bit를 확인하여 바쁜지 확인, 0이 될때까지 기다림
  2. 주소를 통해 디바이스와 연결하고, 데이터를 쓸지 읽을지 비트 설정
  3. 명령 준비 비트 설정하여 request 했음을 알림
  4. 컨트롤러는 busy비트를 1로 설정하고 요청을 받아 작업 수행 (데이터 전송)
  5. 완료되면 비트들 초기화
  
  

Interrupt

폴링의 비효율성 극복, I/O작업할 때 기다리게 하지 않음

• Interrupt handler: 인터럽트 처리
  • Maskable: CPU가 특정 조건에 따라 인터럽트를 무시하거나 지연시키는 것
• Interrupt vector: 여러 인터럽트들 구별하기 위해

인터럽트 처리 과정

• 이를 통해 CPU 사용률 증가, CPU와 I/O의 속도 미스매치 해결
• 하지만 latency 발생

I/O말고도 Interrupt는 다양하게 활용됨

• 예외 처리, page fault, trap 등에서 사용
• Multi-CPU인 경우는 CPU마다 interrupt 처리 가능 (동시 처리)

DMA의 Interrupt

• DMA는 큰 I/O 데이터를 메모리로 전송할 때 CPU를 거치지 않고 전달하게 해주는 것
• CPU는 안쓰지만 CPU와 같은 버스를 공유하기 때문에, DMA로 데이터를 다 보냈으면 CPU에게 다했다는 interrupt 보냄
  

🔹Application I/O Interface

예를 들어, 파일 접근을 하는 경우,
프로세스가 I/O request를 하여 파일에 접근하고, I/O Subsystem이 파일이 디스크에 저장되어있음을 알아내고, 디스크에 접근하기 위해 디스크 디바이스 드라이버에 접근한다.

여기까지가 OS이고, HW적으로는 드라이버에 의해 디스크 디바이스 컨트롤러를 작동시키는 것이다.

이러한 구조가 I/O interface이다. 이는 I/O 시스템을 호출하는 과정의 추성화를 통해 애플리케이션이 디바이스의 다양성을 걱정하지 않고도 I/O작업을 할 수 있도록 한다. 디바이스 드라이버가 다양성을 처리해준다.

I/O디바이스들의 특징 (다양성)

I/O 디바이스 분류

OS는 다양한 I/O 디바이스를 효과적으로 관리하기 위해 분류

• Block Device: 블록 단위 데이터 처리 (디스크 드라이브)
  • RAW I/O와 direct I/O 방식: 파일 시스템을 거치지 않고 블록에 직접 접근하는 방식이다. (원래 하드디스크와 메모리 사이 버퍼를 통해 캐싱을 하는데 이를 안하고)
• Character Device (Stream): 문자 단위 데이터 처리 (키보드, 마우스 등)
  • get(): read
  • put(): write
• Memory-mapped file access: 파일 내용을 가상 메모리 주소 공간에 매핑
• Network Device: 소켓 인터페이스 사용
  • 소켓을 사용하여 어플리케이션이 통신 프로토콜을 쉽게 사용할 수 있도록 한다. (system call같은 느낌)
  • 소켓 연결 후 read, write
  • select(): 여러 소켓(포트)을 모니터링해 준비되면 데이터 read/write

Block, character 디바이스의 I/O방식에는 RAW I/O와 direct I/O가 있다. 이 방식은

• Clocks and Timers: 시간 관련 기능 제공

I/O 디바이스 특성 제어

• Unix의 ioctl() 함수: 디바이스 레지스터 값을 통해 특성 제어, 데이터 전송, 상태 확인 등을 함

I/O 디바이스 구분

• Unix, Linux는 다양한 디바이스들을 구별하기 위해 major번호와 minor 번호를 사용
  • 주번호: 디바이스 종류
  • 부번호: 그 종류의 몇번째 디바이스 인지

Vectered I/O

Unix의 readve()함수는 한 systemcall로 여러 I/O작업을 병렬처리한다.

Nonblocking and Asynchronous I/O

• Blocking: I/O 직업이 완료 될 때까지 반환 안함 → 그동안 프로세스 중단 및 기다림
• Nonblocking: I/O 호출 시 바로 반환, 만약 수행 못한대도 바로 (오류)반환 → 프로세스는 작업 완료를 기다리지 않음, 오류 처리 개발자가 해줘야함
• Asynchronous: I/O호출 시 바로 반환 및 완료 시 프로세스에게 신호 전송 → 오류 처리 수동 관리 필요 없음
  

🔹Kernel I/O Subsystem

다양한 디바이스들에 대한 공통 작업 처리, 표준 인터페이스를 제공

• I/O Scheduling: 여러 프로세스가 한 디바이스에 I/O요청을 보낼 때, 어떤 요청을 먼저 처리할 것인지

• Buferring: 디바이스 간 전송 중에 데이터를 메모리에 저장하는 것

  • 속도/크기 불일치 해결
  • 디바이스 별 속도는 아래처럼 다르고, 데이터 형태도 다르니까
  • Double Buferring도 있다. 버퍼 두개 써서 더 효율적으로 처리

• Device-status table: I/O 디바이스들을 관리하는 테이블, 대기중인 요청들이 linked list로 연결

• Caching: 빠른 CPU와 느린 I/O 사이 버퍼를 두고 캐싱하여 → 이거 교수님이 말해주신건데.. 이게 맞나

  • 빠른 장치가 데이터의 복사본을 보관 (주로 메모리에서 데이터를 임시로 저장)
  • 버퍼링과 함께 사용

• Spooling: 디바이스 출력 데이터를 임시로 저장하는 버퍼의 일종

  • ex) 프린터는 여러 출력물을 처리하기 위해 스풀링

• Device Reservation: 특정 디바이스에 대한 독점 접근 제공

  • 여러 프로세스가 동시에 장치에 접근하는걸 방지
  • 디바이스의 할당 및 해제

• Error Handling: OS는 I/O작업 중 발생할 수 있는 다양한 오류 처리 메커니즘을 가짐 (read write 에러, 디바이스 사용 불가 등)

• I/O Protection: OS는 I/O를 보호해주는 기능을 가짐

  • OS는 모든 I/O 명령을 previleged로 정의, 프로세스는 커널을 통해 접근할 수 있음
  • 프로세스가 I/O 작업을 수행하기 위해 system call을 사용하면, 커널로 trap이 발생하고 커널은 해당 system call을 사용할 권한이 있는지 확인하고 작업을 수행한다. 그리고 다시 유저모드로 돌아간다.

Kernel data structure

커널은 I/O 구성요소의 상태 정보를 유지하기 위한 데이터 구조를 가진다. I/O 상태 정보는 open file table, network connection, character device state 등이 있다.

• 복잡한 데이터 구조를 버퍼로 관리여 I/O 작업 성능을 최적화
  • 버퍼에 캐시했을 때, 수정된 데이터가 있으면 디스크에 기록한 후 그 자리에 새로 쓰여질 수 있도록 해야된다.
• WIndow는 micro kernel을 사용하여 많은 기능들이 유저 모드에서 독립적인 프로세스로 동작하는데, I/O 기능도 포함된다. 근데 message passing 기법이라 느림
• UNIX의 kernel structure는 아래와 같다

Power management

디바이스는 전력을 소모한다. 우리는 이를 소프트웨어적으로 관리해줘야 함

• Cloud computing은 서버 급 컴퓨터로 많은 디바이스들이 연결되어있어 전기를 많이 사용한다.
• Moblie computing은 저전력 설계가 중요하다.

이러한 것이 등장하면서 전력 관리가 더 중요해짐

• 안쓰는거 끄기~ 다시 쓰면 깨우기(latency는 있음)

📌 그래서 Kernel I/O Subsystem의 주요 기능을 다시 보면

• 파일 및 디바이스 종류 관리
• 파일 및 디바이스 접근 권한 관리
• 버퍼링, 캐싱, 스풀링
• I/O Scheduling
• 에러 처리
• 디바이스 드라이버 구성
• 전력 관리

🔹 Trasnforming I/O requests to Hardware operations

I/O요청이 HW 디바이스 컨트롤러까지 가는 과정

🔹 STREAMS

유저 레벨 프로세스와 디바이스 사이에서 해야하는 일들을 STREAM이라는 모듈로 관리

• read queue와 write queue로 stream을 유연하게 추가/제거 가능
  

🔹Performance

I/O처리의 성능은 고려 사항이 아주 많다. 아래와 같이 많은 단계를 거치기 때문이다. 성능을 향상시키려면

• context switch를 줄이기
• data copying을 줄이기 (계층별 이동, 저장공간 이동 과정 하나하나가 다 copy다. 공유 데이터 공간을 만들고 각자 접근하게 한다면 줄일 수 있음)
• 큰 데이터를 한 번에 전달하여 interrupt 줄이기, CPU와 I/O가 효율적으로 동시에 일할 수 있는 smart controller 사용
• DMA 사용하기
• 스마트 하드웨어 장치 사용하기
• CPU, 메모리, 버스, I/O 간의 성능을 균형있게 조정하기, 공평하게 일하기 (병목현상 방지)
• 커널 스레드를 사용하여 효율적으로 처리하기
• 알고리즘 구현 시 특징에 따라 적절한 계층 선택하기
  • 위로 갈수록 유연하고 개발이 간편하고 싸지만 처리 속도가 느리고
  • 아래로 갈수록 처리 속도가 빠르고 추상화할 수 있지만 비싸다

스토리지의 I/O 성능은 아래와 같다. (저장용량 및 처리 속도)