[운영체제] 입출력 시스템

쉽게 배우는 운영체제 교재에 대한 TIL입니다.

 

입출력장치와 채널

컴퓨터는 필수장치인 CPU와 메인 메모리, 주변장치인 입출력장치와 저장장치(입출력장치에 포함됨)로 구성되며, 각 장치는 메인보드에 있는 버스로 연결된다. 다양한 주변장치는 데이터 전송 속도에 따라 저속 주변장치와 고속 주변장치로 구분할 수 있다.

 

저속 주변장치

키보드나 마우스 같이 메인 메모리와 주변장치 사이에 오고 가는 데이터양이 적어 데이터 전송률이 낮은 장치를 말한다. 

 

고속 주변장치

그래픽카드나 하드디스크 같이 메인 메모리와 주변장치 사이에 대용량의 데이터가 오고 가므로 데이터 전송률이 높은 장치를 말한다.

 

여러 개의 주변장치가 하나의 버스로만 메인보드에 연결된다면 당연히 병목 현상이 발생할 것이다. 따라서, 여러 개의 버스를 묶어서 사용하는데, 이때 데이터가 지나다니는 하나의 통로를 채널이라고 부른다. 전송 속도가 비슷한 장치끼리 묶어서 장치별로 채널을 할당하면 여러 채널을 효율적으로 사용하여 전체 데이터 전송 속도를 향상할 수 있다.

 

입출력 버스의 구조

초기의 입출력 버스의 구조는 모든 장치가 하나의 버스로 연결된 구조였고, CPU가 작업을 진행하다가 입출력 명령을 만나면 폴링 방식을 사용하여 직접 입출력장치에서 데이터를 가져왔다. 당연히 비효율적이었기에, 메인버스와 입출력 버스의 2개의 채널로 나누고, 입출력 제어기를 사용하여 CPU 대신 입출력장치로부터 데이터를 가져오는 구조로 발전하였다.

 

하지만, 하나의 입출력 버스를 저속 주변장치와 고속 주변장치가 공유하게 되어 고속 주변장치의 입출력 속도가 저하되는 문제가 발생하였다. 따라서, 이를 해결하기 위해 아래 그림과 같이 입출력 버스를 고속 입출력 버스와 저속 입출력 버스로 분리하여 운영한다.

 

 

고속 입출력 버스와 저속 입출력 버스 사이의 데이터 전송은 채널 선택기가 관리하는데, 고속 입출력 버스에서 데이터를 10번 받으면 저속 입출력 버스에서 데이터를 1번 받는 식으로 두 버스의 데이터 전송 속도를 조절한다.

 

결론적으로 현대의 컴퓨터는 CPU와 메인 메모리를 연결하는 메인버스, CPU와 그래픽카드를 연결하는 그래픽 버스, 고속과 저속 입출력 버스를 사용한다.

 

직접 메모리 접근(DMA)

입출력 제어기는 여러 입출력 버스 채널에서 온 데이터를 메인 메모리로 옮기는 역할을 한다. DMA는 CPU의 허락 없이도 메모리에 접근할 수 있도록 입출력 제어기에 부여된 권한이다. 입출력 제어기에는 아래 그림과 같이 DMA를 위한 DMA 제어기가 마련되어 있다.

 

 

 채널 선택기가 여러 채널에서 전송된 데이터 중 어떤 것을 메모리로 보낼지 결정하면, 메모리로 갈 데이터는 DMA 제어기를 거쳐 메모리에 올라간다. 반대로, 메모리에서 주변장치로 데이터를 전송할 때는 DMA 제어기가 메모리에서 데이터를 가져오면 채널 선택기에서 적당한 채널로 전송한다.

 

DMA를 사용하면 당연히 CPU와 DMA의 작업 공간이 겹칠 수밖에 없다. 과거에는 DMA 제어기가 전송하는 데이터를 메인 메모리가 아닌 입출력 메모리라는 별도의 메모리에 보관했다. 그러나, 입출력 메모리에서 다시 메인 메모리로 데이터를 옮기는 불필요한 작업을 수반하기 때문에 아래 그림과 같이 메인 메모리를 CPU가 작업하는 공간과 DMA 제어기가 작업하는 공간을 분리하여 운영한다.

 

 

이러한 방식을 메모리 맵 입출력(MMIO: Memory Mapped I/O)라고 한다.

 

인터럽트

입출력 제어기와 DMA 제어기의 협업으로 작업이 완료되면 입출력 제어기는 CPU에 인터럽트를 보낸다. 인터럽트란 비단 CPU가 요청한 작업을 완료했을 때만 보내는 신호가 아니라 다양한 컴퓨터 시스템 이벤트(키보드 입력, 하드웨어 오류 등)에서 처리되는 신호이다.

 

컴퓨터 시스템에는 다양한 종류의 장치가 있기 때문에 CPU가 인터럽트를 받아도 어떤 장치로부터 받은 것인지 확인하기가 어렵다. 따라서 각 장치에는 IRQ라는 고유의 인터럽트 번호가 부여되는데 인터럽트가 발생하면 CPU는 IRQ를 보고 어떤 장치에서 인터럽트가 발생했는지 파악한다. 이렇게 입출력장치로부터 오는 인터럽트나 하드웨어 오류등으로 발생하는 인터럽트를 외부 인터럽트 또는 하드웨어 인터럽트라고 부른다.

 

한편 숫자를 0으로 나누거나 자신의 주소 공간을 벗어나서 작업하는 것과 같이 프로세스 오류와 관련된 인터럽트는 내부 인터럽트 또는 예외 상황(Exception) 인터럽트라고 부른다.

 

마지막으로 프로세스 간 통신이나 제어 목적으로 사용되는 인터럽트도 있는데 이것을 시그널이라고 한다. 이 교재에서는 '사용자의 의지로 사용자가 직접 발생시키는 인터럽트'라고 소개했지만 이는 시그널의 일부 특징에 대한 설명일 뿐 정확한 정의가 되지 못한다.

 

인터럽트 벡터와 인터럽트 핸들러

인터럽트 벡터는 여러 인터럽트 중 어떤 인터럽트가 발생했는지 파악하기 위해 사용하는 자료구조이다. 아래 그림과 같이 인터럽트 벡터의 값이 1이면 인터럽트가 발생했다는 의미이다.

 

인터럽트 핸들러는 인터럽트의 처리 방법을 함수 형태로 만들어놓은 것이다. 운영체제는 인터럽트가 발생하면 인터럽트 핸들러를 호출하여 작업한다. 인터럽트 벡터에는 해당 인터럽트 핸들러를 호출할 수 있도록 인터럽트 핸들러가 저장된 메모리 주소가 포인터 형태로 등록되어 있다.

 

시그널의 경우 시그널 핸들러를 자신이 만든 시그널 핸들러를 등록할 수 있다. 이를 통해, 시그널 처리를 커스텀할 수 있고 더 나아가 프로세스 간 통신도 할 수 있다. 

 

단일 버퍼와 이중 버퍼

하드디스크나 CD-ROM 등 대부분의 입출력장치는 버퍼를 사용하여 들어오는 데이터를 버퍼에 모아 한꺼번에 이동시킴으로써 느린 속도를 보완한다.

 

아래 그림은 단일 버퍼와 이중 버퍼의 차이를 보여준다.

 

 

단일 버퍼를 사용하면 데이터를 버퍼에 담는 작업과 버퍼에 있는 데이터를 퍼 가는 작업을 동시에 하기 어렵기 때문에 이중 버퍼를 사용하여 한 버퍼는 데이터를 담는 용도, 다른 버퍼는 데이터를 가져가는 용도로 사용함으로써 해결할 수 있다.

 

저장장치

입출력장치와 저장장치는 서로 다른 장치라고 생각할 수도 있지만 저장장치는 입출력장치로 분류된다. 저장장치는 입력된 데이터를 저장하고 저장된 데이터를 출력하여 알맞은 시스템 동작에 사용되기 때문이다.

 

다음은 저장장치의 대표적인 예인 하드디스크와 SSD에 대한 설명이다.

 

하드디스크

 

 

위 그림은 하드디스크의 구조를 보여준다. 하드디스크는 스핀들(Spindle)이라는 원통 축에 여러 개의 플래터(Platter)가 달려 있다.

 

플래터

플래터는 표면에 자성체가 발려 있어 자기를 이용하여 데이터를 저장하는데 플래터 표면이 N극이면 0과 S극이면 1로 인식한다. 플래터의 수는 하드디스크마다 다르지만 보통 2장 이상으로 구성되며 항상 일정한 속도로 회전한다.

 

섹터와 블록

섹터는 물리적인 개념으로서 하드디스크의 가장 작은 저장 단위다. 블록은 하드디스크와 컴퓨터 사이에 데이터를 전송하는 논리적인 저장 단위 중 가장 작은 단위다. 블록은 여러 개의 섹터로 구성되는데, 하드디스크 입장에서는 섹터가 가장 작은 저장 단위지만, 운영체제 입장에서는 블록이 가장 작은 저장 단위가 된다.

 

트랙과 실린더

트랙은 플래터에서 회전축을 중심으로 데이터가 기록되는 동일한 동심원상에 있는 섹터의 집합을 말한다. 개념적으로 여러 개의 플래터에 있는 같은 트랙의 집합을 실린더라고 한다.

 

헤드와 플래터

하드디스크에서 데이터를 읽거나 쓸 때는 읽기/쓰기 헤드를 사용한다. 헤드의 수는 데이터가 저장되는 플래터의 표면 수와 같다. 플래터가 회전을 시작하면 표면에 약한 바람이 일어나는데, 헤드는 이 바람에 의해 표면에서 약간 떠있는 형태로 작동한다. 만약 헤드가 플래터에 붙어버리면 플래터 표면에 상처가 날 수 있는데 이러한 상처는 데이터를 저장할 수 없는 배드 섹터가 된다. 컴퓨터가 종료될 때 배드 섹터를 만들지 않으려고 하드디스크는 헤드를 데이터가 저장되지 않는 플래터의 맨 바깥쪽으로 이동하는데 이를 파킹이라고 한다.

 

디스크 장치의 데이터 전송 시간

아래 그림은 하드디스크에서 데이터를 전송하는 과정을 보여준다.

 

 

1. 헤드가 현재 위치에서 읽거나 쓰려는 특정 트랙까지 이동하는 데 걸리는 시간을 탐색 시간이라고 한다.
2. 특정 트랙까지 이동한 헤드가 원하는 섹터를 만날 때까지 회전하는 데 걸리는 시간을 회전 지연 시간이라고 한다.
3. 헤드는 원하는 섹터에 있는 데이터를 읽어 전송하는데, 이때 걸리는 시간을 전송 시간이라고 한다.

 

따라서, 하드디스크의 데이터의 전송 시간은 탐색시간, 회전 지연 시간, 전송 시간의 합이다. 이때, 데이터 전송 시간 중 가장 많은 비중을 차지하는 것은 탐색 시간이다. 따라서, 하드디스크의 성능을 높이려면 탐색 시간을 최소화해야 한다. 이를 위해서 조각 모음을 주기적으로 해주거나 디스크 스케줄링 기법을 사용한다.

 

SSD

하드디스크의 느린 속도를  대체하기 위해 개발된 보조저장장치다. SSD는 전원이 사라져도 데이터를 보관할 수 있는 플래시 메모리로 구성된다. 하드디스크와 SSD는 모두 단편화 현상이 발생한다. 하드디스크의 경우 조각이 많이 발생하면 큰 덩어리의 데이터를 읽을 때 헤드가 여러 곳을 돌아다녀야 하므로 속도가 느려지기 때문에 주기적으로 조각 모음을 실시해야 한다. 반면, SSD는 메모리를 사용하기 때문에 데이터가 어디에 저장되어 있든 읽거나 쓰는 속도에는 차이가 거의 없기 때문에 조각 모음이 필요 없다.