Chapter 13 · I/O Systems

Interrupt-driven I/O 동작 과정: ① CPU가 장치에 I/O 명령을 내린다. ② CPU는 I/O 완료를 기다리지 않고 다른 작업을 계속 수행한다. ③ 장치가 작업을 마치면 interrupt 신호를 CPU에 전송한다. ④ CPU는 현재 수행 중인 작업의 컨텍스트를 저장하고, 해당 장치의 interrupt service routine(ISR)으로 분기한다. ⑤ ISR이 I/O 결과를 처리한 후 반환되면 CPU는 이전 작업으로 복귀한다.

Polling과의 비교:

Programmed I/O(PIO): 데이터 전송 시 CPU가 직접 I/O 장치와 메모리 사이에서 데이터를 옮기는 방식이다. 전용 I/O 명령 또는 memory-mapped I/O를 통해 구현하며, CPU가 전송 내내 관여하므로 효율이 낮다.

DMA(Direct Memory Access): 별도의 DMA controller가 CPU를 우회하여 장치 버퍼에서 주 메모리로(또는 반대로) 데이터 블록을 직접 전송하는 방식이다. CPU는 전송 시작 명령만 내리고, 블록 전송이 완료될 때 단 한 번의 인터럽트를 받는다.

DMA가 효과적인 상황: 메모리 속도에 근접한 고속 I/O 장치(디스크, 네트워크 카드 등)에서 대용량 데이터를 전송할 때 적합하다. PIO 방식으로 같은 데이터를 전송하면 CPU가 오랫동안 전송에만 묶여 다른 작업을 할 수 없으나, DMA를 쓰면 CPU는 전송 중에도 다른 프로세스를 실행할 수 있어 시스템 전체 처리량이 높아진다.

Direct I/O(포트 I/O): Intel의 in, out 같은 전용 I/O 명령어를 사용하여 별도의 I/O 포트 주소 공간에 접근하는 방식이다.

Memory-mapped I/O: 장치 컨트롤러 레지스터를 프로세서의 메모리 주소 공간에 매핑하여, 일반 load/store 명령으로 I/O를 수행하는 방식이다.

Memory-mapped I/O의 장점: ① 장치 드라이버를 C로 완전히 작성할 수 있어 개발 생산성이 높다. ② 특별한 보호 메커니즘이 불필요하며, PTE를 통해 보호하므로 기존 메모리 보호 체계를 재사용한다. ③ 페이지 테이블에 해당 페이지를 포함시켜 특정 사용자 프로세스가 특정 장치를 직접 제어하도록 권한을 세밀하게 부여할 수 있다. ④ 레지스터 읽기와 값 테스트를 단일 명령으로 처리할 수 있어 효율적이다.

Blocking I/O: read(), write() 등 I/O 시스템 콜을 호출하면 I/O가 완료될 때까지 프로세스가 대기(suspend) 상태가 된다. 사용과 이해가 단순하다는 장점이 있으나, I/O 중에 CPU를 다른 작업에 활용하지 못한다.

Non-blocking I/O: I/O 호출이 즉시 반환되며, 실제로 전송된 바이트 수를 반환 값으로 전달한다. 멀티스레딩으로 구현하고, select()로 데이터 준비 여부를 확인한다. 프로세스는 I/O 중에도 다른 작업을 계속할 수 있다.

Asynchronous I/O: I/O 요청 후 프로세스가 계속 실행되다가, I/O가 완료되면 운영체제가 시그널·콜백 등의 방식으로 완료를 통지한다. 완료 전까지는 얼마나 전송됐는지 알 수 없다. non-blocking I/O와 달리 완료 통지가 운영체제에서 자동으로 이루어진다.

I/O 소프트웨어 계층은 아래부터 위로 다음과 같다.

① Hardware: 실제 I/O 장치. 컨트롤러, 레지스터, 버스를 통해 데이터를 전송한다.

② Interrupt Handlers: 장치가 발생시킨 인터럽트를 수신하고 처리한다. 해당 device driver를 깨운다.

③ Device Drivers: 각 I/O 장치를 제어하는 장치별 코드. 장치 독립적 I/O 소프트웨어 및 인터럽트 핸들러와 상호작용하며, 커널에 정적 링크되거나 부팅 시·실행 중 동적으로 로드된다.

④ Device-Independent I/O Software: 모든 드라이버에 균일한 인터페이스를 제공한다. Unix에서는 장치를 특수 파일(/dev)로 모델링하며, open(), read(), write(), ioctl() 등의 시스템 콜로 접근한다. 오류 보고, 버퍼링, major/minor 장치 번호를 통한 드라이버 탐색을 담당한다.

⑤ User-Space I/O Software: 사용자 수준 라이브러리(C 표준 I/O 등)를 제공한다. fopen(), fgets(), fscanf() 등이 해당되며, 사용자가 직접 I/O 라이브러리를 만들 수도 있다.

운영체제 안정성에 미치는 영향: device driver는 OS 안정성의 주요 위협 요소이다. Windows XP 충돌의 85%가 드라이버에 의한 것이며, Linux에서 드라이버는 커널보다 7배 더 버그가 많다. 드라이버는 Linux 커널 코드의 70%를 차지하고, Windows XP에만 35,000개 이상(120,000개 이상의 버전)이 존재한다. 경험이 부족한 프로그래머가 작성하는 경우가 많아 품질 편차가 크고, 디지털 가전·임베디드 장치의 증가로 관리되지 않는 시스템의 드라이버 문제도 커지고 있다.

드라이버 탑재 방식 세 가지: ① 정적 링크(Statically linked with the kernel): 드라이버를 커널과 함께 컴파일·링크하여 커널 이미지에 포함시킨다. ② 부팅 시 선택 로드(Selectively loaded during boot time): 시스템 부팅 시 필요한 드라이버만 선택하여 로드한다. ③ 실행 중 동적 로드(Dynamically loaded during execution): 실행 도중 필요 시 로드하며, 특히 핫플러그 장치(hot pluggable devices)에 적합하다.

Unix에서 device-independent I/O software는 장치를 특수 파일(special file)로 모델링한다. 이를 통해 open(), read(), write(), close(), ioctl() 등 일반 파일에 쓰이는 시스템 콜로 장치에 접근할 수 있다. 각 장치에는 파일 이름이 부여되며(/dev 디렉터리), 일반 파일과 동일한 보호 규칙(권한 비트 등)이 적용된다.

Major 장치 번호: 어떤 장치 드라이버를 사용할지 결정하는 데 쓰인다. 커널이 major 번호를 보고 해당 드라이버를 찾는다.

Minor 장치 번호: i-node에 저장되어 드라이버에 매개변수로 전달된다. 같은 종류의 장치 중 구체적으로 어느 유닛(unit)을 대상으로 하는지를 드라이버가 식별할 수 있게 한다.

Block device: 고정 크기(512B–32KB)의 블록 단위로 데이터를 저장한다. 각 블록에 고유한 주소가 있어 임의 접근(random access)이 가능하고, 다른 블록과 독립적으로 읽기·쓰기를 수행할 수 있다. 대표적인 장치로 하드 디스크, 테이프 등이 있다.

Character device: 바이트 스트림을 순서대로 전달하거나 받는 방식으로 동작한다. 주소가 없으므로 임의 접근 및 seek 연산이 불가능하다. 대표적인 장치로 프린터, 모뎀, 마우스, 키보드 등이 있다.

핵심 차이는 주소 지정 가능 여부와 임의 접근 가능 여부이다. block device는 파일 시스템 구현에 적합하고, character device는 스트림 기반 입출력에 적합하다.