[OS] 입출력 장치 시스템 (I/O Systems)


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🖥️ 시작하며 🔍 전형적인 PC Bus 구조 🔍 커널의 I/O 구조 🔍 I/O 디바이스 📌 Block Device vs Character Device 📌 Device controller (or host adapter)📌 I/O Hardware 💡 헷갈릴 수 있는 부분 정리 1️⃣ Direct I/O 2️⃣ Memory-mapped I/O 🔍 CPU가 I/O 요청 처리 여부를 아는 법 📌 Polled I/O 📌 Interrupt-driven I/O 💡 부팅 과정에서 각 디바이스에 인터럽트 요청 번호(IRQ)가 할당됨 🔍 I/O와 Main Memory 사이에서 데이터 이동 📌 Programmed I/O (PIO)📌 Direct Memory Access (DMA)💡 DMA Transfer Six step 💡 Blocking I/O vs Non-blocking I/O 🔍 커널에서 I/O 소프트웨어의 목표 🔍 디바이스 드라이버 📌 디바이스 드라이버의 문제점 1️⃣ 신뢰성 문제 2️⃣ 디바이스 드라이버 확장의 증가 3️⃣ OS 오류의 주요 원인 📌 Device-Independent I/O SW 1️⃣ Error Reporting 2️⃣ Error Handling Strategies 📌 User-Space I/O Software

🖥️ 시작하며

운영체제에서 디바이스의 특성, I/O가 어떻게 작동하는지에 대해 알아보려고 합니다.

🔍 전형적인 PC Bus 구조

🔍 커널의 I/O 구조

장치 컨트롤러는 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로

🔍 I/O 디바이스

📌 Block Device vs Character Device

특성	블록 장치 (Block Device)	문자 장치 (Character Device)
정보 저장 방식	고정 크기 블록에 정보를 저장	문자 스트림을 전달하거나 수신
주소 지정	각 블록은 고유 주소를 가짐	주소 지정 불가 및 탐색(Seek) 연산 없음
블록 크기	블록당 512B - 32KB	해당 없음
독립적인 블록 읽기/쓰기	각 블록을 다른 블록과 독립적으로 읽거나 쓸 수 있음 → random한 seek가 가능	해당 없음
예시 장치	디스크(HDD, SSD), 테이프 등	프린터, 모뎀, 마우스, 키보드 등

요즘 Character Device도 USB로 연결하므로 보통은 block device이다.

📌 Device controller (or host adapter)

💡

여러 장치를 처리할 수 있는 기능

I/O 장치의 구성 요소에는 기계적 부분, 전자적 부분이 존재

Electronic 부분에는 디바이스 컨트롤러가 포함됨

컨트롤러의 작업:

bit 데이터를 bytes 로 변환
메인 메모리에 사용 가능하게 함
필요에 따라 오류 수정 수행

📌 I/O Hardware

💡

디바이스 컨트롤러는 레지스터나 버퍼를 가지고 있음

디바이스 드라이버:

명령 실행 후 레지스터에 커맨드, 주소 및 데이터를 쓰거나 읽을 수 있도록 배치
운영체제 커널 공간에 설치됨

주요 레지스터:

데이터 입력 레지스터 (Data-in register)
데이터 출력 레지스터 (Data-out register)
상태 레지스터 (Status register)
제어 레지스터 (Control register)

디바이스의 주소 지정 방법에는 두 가지가 존재: (명령과 데이터를 전송하는 방법)

Direct I/O instructions (직접 I/O 명령어)

Memory-mapped I/O (메모리 맵 I/O)

💡 헷갈릴 수 있는 부분 정리

항목	디바이스 (Device)	디바이스 컨트롤러 (Device Controller)
역할	실제 작업을 수행하는 물리적 장치	디바이스와 시스템 간의 인터페이스 역할을 수행
구성 요소	기계적 구성 요소, 전자적 구성 요소	전자적 구성 요소, 레지스터, 버퍼 등
주요 기능	데이터 입력/출력, 물리적 작업 수행	데이터를 처리하고 시스템 메모리와 디바이스 간의 데이터 전송 및 제어 명령 수행
레지스터	일부 디바이스는 자체적으로 레지스터를 가질 수 있음	디바이스와의 상호 작용을 위해 다양한 레지스터를 포함
데이터 처리	실제 데이터를 생성하거나 사용하는 작업 수행	데이터를 직렬 비트 스트림에서 바이트 블록으로 변환하고 오류 수정을 수행
통신 방식	디바이스 컨트롤러와 통신하여 명령을 받고 데이터를 전송	시스템과 디바이스 간의 통신을 관리
예시	디스크 드라이브, 프린터, 마우스 등	디스크 컨트롤러, 프린터 컨트롤러 등

1️⃣ Direct I/O

💡

CPU를 만들 때부터 특정 I/O 포트 주소에 특별한 I/O 명령을 사용하는 방법

예시: (intel의 명령어)

명령어	설명
in	포트에서 읽음
ins	포트에서 문자열 입력
insb	포트에서 바이트 문자열 입력
insl	포트에서 더블워드 문자열 입력
insw	포트에서 워드 문자열 입력
out	포트에 씀

⚠️ 다른 디바이스에서 사용하려면 전부 바꿔야 한다는 단점이 존재

2️⃣ Memory-mapped I/O

💡

디바이스 컨트롤러의 제어 레지스터를 프로세서의 주소 공간에 매핑

CPU가 표준 데이터 전송 명령어를 사용해 I/O 요청을 실행할 수 있도록 함

I/O 디바이스 드라이버를 C언어로 완전하게 작성 가능함

특별한 보호 메커니즘이 불필요

메모리에 매핑하므로 PTE를 통해서 이미 Protection bit가 존재함
필요한 페이지를 Page Table에 포함시킬 수 있음
특정 디바이스에 대한 제어를 사용자에게 제공 가능함

디바이스 레지스터를 읽고 그 값을 테스트하는 것을 단일 명령어로 가능

🔍 CPU가 I/O 요청 처리 여부를 아는 법

📌 Polled I/O

💡

레지스터 bit를 CPU가 계속 체크해 디바이스 상태 확인

이점

구현 및 이해가 쉬움
소프트웨어가 언제든지 디바이스 상태를 확인하고 제어 가능
결과가 빨리 나오는 작업에는 효율적

단점

CPU가 유휴 상태의 디바이스를 계속 Polling해야 하므로 비효율적
낮은 우선순위의 디바이스는 서비스되지 않을 수 있음 (Polling 빈도가 낮아져서)

📌 Interrupt-driven I/O

💡

I/O 장치가 필요할 때 CPU에게 인터럽트를 요청

각 장치에 특화된 Interrupt service routines이 호출됨

여러 장치가 인터럽트를 공유할 수 있음

이점

CPU가 필요한 경우에만 장치를 처리해 효율적
일반적으로는 Polling보다 더 효율적

단점

과도한 인터럽트는 프로그램 실행을 느리게 함
오버헤드 발생 (작은 일에 대해서 계속 인터럽트 시, 바이트마다 등등)

💡 부팅 과정에서 각 디바이스에 인터럽트 요청 번호(IRQ)가 할당됨

🔍 I/O와 Main Memory 사이에서 데이터 이동

📌 Programmed I/O (PIO)

💡

CPU가 I/O 장치와 메모리 간의 데이터 전송에 직접 관여

특징:

특별한 I/O 명령 이나 메모리 맵드 I/O를 사용

장단점:

장점: 구현이 간단하고 제어가 쉬움
단점: CPU가 직접 데이터를 전송하기 때문에 효율이 낮고, CPU 시간이 많이 소모됨

항목	특별한 I/O 명령어 (Special I/O Instructions)	메모리 맵드 I/O (Memory-mapped I/O)
데이터 전송 방식	CPU가 특별한 I/O 명령어(`in`, `out`)를 사용하여 데이터 전송	CPU가 메모리 접근 명령어(`mov`, `ld`, `st` 등)를 사용하여 데이터 전송
I/O 포트 접근	I/O 포트 주소를 통해 접근	메모리 주소 공간의 일부로 매핑된 I/O 레지스터에 접근
명령어 예시	`in`, `out`	`mov`, `ld`, `st`
사용 예시	특정 I/O 포트에 대한 직접 접근	메모리 주소를 통해 I/O 레지스터에 접근

📌 Direct Memory Access (DMA)

💡

고속 I/O장치를 위해 CPU의 개입 없이 디바이스 컨트롤러가 데이터를 직접 메모리에 전송

특징:

고속 데이터 전송: 메모리 속도에 가까운 속도로 데이터 전송 가능
블록 전송: 장치 컨트롤러가 버퍼 저장소에서 주 메모리로 데이터를 블록 단위로 전송
CPU 개입 없음: CPU의 개입 없이 데이터 전송, 블록 전송 후 인터럽트만 발생

장단점:

장점: CPU가 데이터 전송에 관여하지 않아 효율이 높고, CPU가 다른 작업을 수행할 수 있음
단점: 구현이 복잡하며, 하드웨어 지원이 필요함

💡 DMA Transfer Six step

💡 Blocking I/O vs Non-blocking I/O

항목	Blocking I/O (일반적)	Non-blocking I/O (네트워크 등)
특징	프로세스가 I/O 완료까지 대기	I/O 호출이 즉시 반환되며, 전송된 바이트 수 반환
주요 함수	`read()`, `write()`	`select()`
장점	사용 및 구현이 쉽고 직관적	CPU 자원을 효율적으로 사용 가능, 여러 I/O 작업 동시 처리 가능
단점	CPU 자원 비효율적 사용 가능성, 동시 처리 어려움	구현이 복잡하고, 완료 상태를 지속적으로 확인해야 함

🔍 커널에서 I/O 소프트웨어의 목표

Device Independence (디바이스 독립성)

프로그램이 특정 디바이스에 종속되지 않도록 함. (open, read 시 알아서 다 동작하도록)

Uniform Naming (일관된 이름 지정)

Error Handling (오류 처리)

Synchronous vs Asynchronous (동기 vs 비동기)

Buffering (버퍼링)

Sharable vs Dedicated Devices (공유 가능한 디바이스 vs 전용 디바이스)

🔍 디바이스 드라이버

💡

각 I/O 디바이스를 제어하기 위한 디바이스에 특화된 코드, 디바이스 제조사에서 제작

Device-independent I/O(디바이스에 독립적인 I/O 소프트웨어)와 인터럽트 핸들러와 상호작용

운영체제의 나머지 부분과 상호작용하는 방법을 정의하는 명확한 모델과 표준 인터페이스 필요

디바이스 드라이버 구현 방법:

커널에 정적으로 링크됨: 커널에 직접 통합되어 운영체제의 일부분으로 동작
부팅 시 선택적으로 로드됨: 시스템 부팅 시 필요에 따라 선택적으로 로드
실행 중 동적으로 로드됨: 특히 핫 플러그 가능 디바이스의 경우, 시스템 실행 중에 동적으로 로드

📌 디바이스 드라이버의 문제점

💡

커널과 같이 동작하므로 문제가 생길 수 있음

1️⃣ 신뢰성 문제

중요성: 신뢰성은 여전히 중요한 문제로 남아 있으며, 해결되지 않은 상태

사례:

매일 5%의 Windows 시스템이 충돌
주식 거래소, 전자 상거래 등에서 실패의 비용이 큼
디지털 가전 제품, 소비자 전자 기기 등 "관리되지 않는 시스템"의 증가

2️⃣ 디바이스 드라이버 확장의 증가

리눅스 커널 코드의 70%: 디바이스 드라이버가 차지

Windows XP: 35,000개 이상의 드라이버와 120,000개 이상의 버전

작성자: 상대적으로 경험이 적은 프로그래머가 작성

3️⃣ OS 오류의 주요 원인

Windows XP: 드라이버가 85%의 충돌 원인

리눅스: 커널보다 드라이버가 7배 더 버그가 많음

📌 Device-Independent I/O SW

💡

통합 인터페이스를 위한 디바이스 드라이버

유닉스에서, 디바이스를 특수 파일로 모델링 (I/O 장치를 파일로 취급)

이러한 특수 파일을 시스템 호출로 접근
각 디바이스는 파일 이름과 연결됨

Major device number(주요 장치 번호)로 적절한 드라이버를 찾음

→ 주 장치 번호가 8이면 SCSI 디스크 드라이버를 나타냄

i-node에 저장되는 Minor device number는 특정 유닛을 지정하기 위해 드라이버에 매개변수로 전달

→ 부 장치 번호가 0이면 첫 번째 SCSI 디스크를, 1이면 두 번째 SCSI 디스크를 나타냄

⚙️ SCSI (Small Computer System Interface) → 여러 장치를 컴퓨터에 연결하는 표준 인터페이스

디바이스 파일은 일반 파일과 동일한 보호 규칙을 가짐

/dev 디렉토리:

모든 다바이스 파일은 /dev 디렉토리에 존재

1️⃣ Error Reporting

필요성: 에러는 사용자에게 보고되어야 함

특성: 많은 에러가 디바이스에 특화되어 있음

처리 방법: 적절한 드라이버가 에러를 처리해야 함

유형: 프로그래밍 오류와 실제 I/O 오류로 구분

2️⃣ Error Handling Strategies

에러 코드 반환: 시스템 호출을 에러 코드와 함께 반환

재시도: 일정 횟수만큼 재시도

에러 무시: 에러를 무시하고 계속 진행

프로세스 종료

시스템 종료

📌 User-Space I/O Software

💡

사용자 공간에서 실행되는 I/O 작업을 위한 라이브러리로 제공됨

항목	설명
표준 I/O 라이브러리	C 표준 라이브러리는 파일을 열고 읽고 쓰기 위한 다양한 함수들을 제공
예시 함수	`fopen()`, `fgets()`, `fscanf()`, `fwrite()`, `fclose()`
fopen() vs. open()	`fopen()`: 고수준 파일 입출력 함수, `open()`: 저수준 시스템 호출
사용자 선택	사용자는 필요에 따라 표준 I/O 라이브러리 함수나 시스템 호출을 선택 가능
자체 I/O 라이브러리 작성	사용자는 필요에 따라 자신의 I/O 라이브러리를 작성 가능, 예: `myopen()`, `myfgets()`