[OSTEP 운영체제 정리] - IO and HDD

System Architecture

I/O Devices

Interface

시스템 소프트웨어가 그 운영을 제어할 수 있도록 한다.

모든 하드웨어 장치들은 특정한 상호 동작을 위한 인터페이스와 프로토콜을 가진다.

Internal structure

구현 세부 사항에 따라, 시스템에게 제공하는 장치에 대한 추상화를 정의하는 책임을 가진다.

Protocol: 표준 방식

while (STATUS == BUSY)
; // 장치가 바쁜 상태가 아닐 때까지 대기
데이터를 Data 레지스터에 쓰기
명령어를 COMMAND 레지스터에 쓰기
(그러면 장치가 명령어를 실행한다.)
while (STATUS == BUSY)
; // 요청을 처리하여 완료할 때까지 대기

1. Polling
2. 운영체제가 데이터 레지스터에 어떤 데이터를 전달
3. 운영체제가 명령 레지스터에 명령어를 기록한다.
4. 운영체제는 디바이스가 처리를 완료했는지를 확인하는 폴링 반복문을 돌면서 기다린다.

➡️ 되게 비효율적이고 불편하다.

• Polling : 반복적으로 장치의 상태 레지스터를 읽어서 명령의 수신 가능 여부 확인하는 것
• Programmed I/O : 데이터 전송에 메인 CPU가 관여하는 경우

Interrupts

위의 비효율개선을 위해, 인터럽트를 사용하여 CPU 오버헤드 줄일 것이다.

⇒ 운영 체제는 요청을 발행하고, 호출 프로세스를 일시 중지하고 다른 작업으로 컨텍스트 스위칭할 수 있다.

⇒ 장치가 작업을 완료하면 하드웨어 인터럽트를 발생시키고, 이는 CPU가 미리 정해진 인터럽트 서비스 루틴(ISR)으로 이동하게 된다.

사용률을 높이기 위해, 인터럽트를 활용하여 CPU 연산과 I/O를 중첩시키는 것

빠른 장치라면 폴링이 최선이고 느리다면 인터럽트 중첩 ㄱ ㄱ

 

Direct Memory Access (DMA)

DMA를 통한 더 효율적인 데이터 이동

DMA 엔진은 CPU의 개입 없이 장치와 주 메모리 간의 전송을 조정할 수 있는 장치이다. 운영 체제는 DMA 엔진에 데이터가 메모리 어디에 있는지와 얼마나 많은 데이터를 복사할지를 지시하여 프로그래밍한다. DMA가 완료되면, DMA 컨트롤러가 인터럽트를 발생시킨다.

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장치와 운영체제가 실제로 어떻게 정보를 서로 교환하는가.?

Methods of Device Interaction

방법 1. I/O 명령어

x86의 in 및 out 명령어 장치에 데이터를 보내기 위해, 호출자는 데이터가 들어 있는 레지스터와 장치를 지정하는 특정 포트를 지정한다. 일반적으로 특권 명령어

방법 2. Memory-mapped I

하드웨어는 장치의 레지스터들이 마치 메모리상에 존재하는 것처럼 만든다. 특정 레지스터에 접근하기 위해, 운영체제는 주소에 대한 읽기 또는 쓰기 명령어를 실행한다.

 

✅ 두 방법 모두 큰 장점이 있는 것은 아님,
메모리 맵의 경우 새로운 명령어가 필요 없기 때문에 좋긴함,그치만 둘다씀

Device Drivers

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Hard Disk Drives (HDD)

 

플래터(Platter)

데이터가 영구적으로 저장되는 원형의 단단한 표면 디스크에는 하나 이상의 플래터가 있을 수 있으며, 각 플래터는 2개의 면을 가지고 있으며, 각각을 표면( surface)라고한다.

스핀들(Spindle)

모터에 연결되어 플래터를 일정한 속도로 회전시킨다. 회전 속도는 분당 회전수로 측정된다.

트랙(Track)

데이터는 각 표면에 동심원의 형태로 구성된 섹터들에 인코딩되어 저장된다

 

 

 

 

 

디스크 헤드 (Disk Head)

디스크의 읽기 및 쓰기 작업은 디스크 헤드에 의해 수행됩니다. 드라이브의 각 표면마다 하나의 디스크 헤드가 있다

디스크 암 (Disk Arm)

디스크 헤드는 하나의 디스크 암에 부착되어 있으며, 디스크 암은 표면을 가로질러 이동하여 원하는 트랙 위에 헤드를 위치시킨다.

 

 

 

I/O Time

$T_{I/O} = T_{seek}+T_{rotation}+T_{transfer}$

seek time : 디스크 암을 올바른 트랙으로 이동시키는 데 걸리는 시간

Rotational Delay : 원하는 섹터가 디스크 헤드 아래로 회전하는 데 걸리는 시간

Acceleration → Coasting → Deceleration →Setting time(about 0.5~2 ms)

Disk Scheduling

운영체제는 디스크에 발행되는 I/O의 순서를 결정한다. I/O 요청 집합이 주어지면, 디스크 스케줄러는 요처들을 검토하고 다음에 어떤 요청을 스케줄링할지 결정한다.

Request

98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 (디스크 헤드는 53에서 시작)

 

방법1 : FCFS (First-Come, First-Served)

요청이 들어온 순서대로 처리 Response : 98 → 183 → 37 → 122 → 14 → 124 → 65 → 67

해당 방법은 단순 BUT, 디스크 헤드의 이동 거리가 최적화되지 않아서 효율적이지않을 수 있다.

방법2 : SSTF (Shortest Seek Time First)

I/O 요청 대기열을 트랙별로 정렬하여, 디스크 헤드가 가장 가까운 트랙에 있는 요청을 먼저 처리한다.

문제점

• drive geometry는 호스트 OS에서 사용할 수 없다. 대신 OS는 블록의 배열로 보게 된다. 따라서, 가장 가까운 블록 우선인 NBF 방식사용
• Starvation

Response

65 → 67 → 37 → 14 → 98 → 122 → 124 → 183

방법3 : 엘레베이터 ( 또는 SCAN, C-SCAN )

• SCAN : 디스크의 트랙을 따라 앞뒤로 이동하며 요청을 순서대로 처리
• C-SCAN : 외부 트랙에서 내부 트랙으로만 이동하여 요청을 처리한 후, 다시 외부 트랙으로 이동하여 다시 시작한다.

문제점 : 디스크 회전 비용을 무시한다.

Response

• SCAN : 디스크 헤드가 트랙을 따라 앞뒤로 이동하며 요청을 처리 37 → 14 → 65 → 67 → 98 → 122 → 124 → 183
• C-SCAN : 디스크 헤드가 외부에서 내부로 이동하며 요청을 처리한 후, 다시 뢰부로 이동하여 재시작 65 → 67 → 98 → 122 → 124 → 183 → 14 → 37

방법4 : SPTF ( Shortest Positioning Time First )

현대 드라이브에서는 탐색(Seek)과 회전(Rotation)의 시간이 비슷하다. SPTF는 탐색 시간과 회전 시간을 모두 고려하여, 가장 짧은 위치 지정 시간(Positioning Time)을 우선으로 처리한다.

문제점

• 운영 체제에서 구현하기가 더 어렵다.
• 현대 시스템에서는 디스크가 여러 대기 중인 요청을 처리할 수 있으며, 자체적으로 정교한 내부 스케줄러를 가지고 있다.

방법5 : I/O 병합

연속적인 요청들을 하나의 두 블록 요청으로 병합

기다림으로써 새로운 그리고 "더 나은" 요청이 디스크에 도착할 수 있다.

Selecting a Disk-Scheduling Algorithm

• SSTF 는 일반적이다.
• SCAN과 C-SCAN은 디스크에 무거운 부하를 가하는 시스템에 더 나은 성능을 제공
• 성능은 요청의 수와 유형에 따라 달라진다.
• 디스크 서비스 요청은 파일 할당 방법에 의해 영향을 받을 수 있다.
• 디스크 스케줄링 알고리즘은 운영 체제의 별도 모듈로 작성되어야 하며, 필요 시 다른 알고리즘으로 교체할 수 있어야 한다.

Cache

 

 

소량의 메모리 (일반적으로 약 8MB 또는 16MB)

• 디스크에서 읽거나 디스크로 쓰여진 데이터를 저장합니다.
• 디스크 드라이브가 요청에 빠르게 응답할 수 있도록 도와줍니다.

 

 

 

 

 

 

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[출처]
https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-translations/blob/master/korean/README.md

ostep-translations/korean/README.md at master · remzi-arpacidusseau/ostep-translations

 

해당 책을 기반으로 정리하였습니다.