[운영체제] 입/출력 관리(I/O Management)

 

 

 

I/O Devices의 종류

 

I/O Devices는 입/출력을 관리하는 장치로 목적에 따라 여러 종류가 있다.

 

먼저, 키보드나 마우스, 디스플레이 등의 사람이 이용하는 장치가 있다. 그리고 센서나 Controllers, Actuators, Disk, tape driver 등의 기계가 이용하는 장치가 있으며 모뎀 등의 통신을 위한 장치가 존재한다.

 

세상에는 너무 많은 장치들이 있고, 운영체제 또한 다양하기 때문에 각 운영체제에 맞는 장치들을 적절히 잘 끼워넣을 필요가 있다.

 

어떤 방식으로 끼워넣는지 살펴보기 이전에 입/출력 장치의 일반적인 구성에 대해 알아보자.

 

 

 

 

 

I/O Devices

 

 

I/O Devices는 대개 3 개의 요소로 이루어진다.

Controller Register, Status Register, Internel Buffer이다.

 

엥? Register는 CPU에만 있는 게 아닌가? Devices에서 왜 Register가 들어갈까? 라는 생각이 들 수 있다.

맞는 말이다. 실제로도 Device 자체에 Register가 있는 게 아니라 Device driver가 Register값을 변경시킴으로써, Device로 전기적인 신호를 보낸다.

 

Controller Register이 하는 역할은 보통 Device가 1과 0을 통해서 해야할 명령을 수행한다.

Status Register는 현재 I/O 작업이 수행 전인지, 수행 중인지, 수행이 끝났는 지 체크한다.

 

 

 

 

 

 

 

I/O Management

 

 

앞서 말했듯이, 세상에는 너무 많은 장치들과 운영체제가 있기 때문에 이들 간의 호환성 문제를 해결하는 것은 매우 중요하다.

 

따라서 운영체제 자체에서 Status Register를 관리하는 것은 옳지 않다. 각 장치들마다 Status Register에 따라 동작하는 방식이 다를 수도 있기 때문이다.

 

그렇기 때문에 Kernel 영역이나, I/O만을 담당하는 특수한 커널 계층을 만들게 되었다. 바로 "Kernel I/O Subsystem"인 것이다.

 

이에 따라 그 밑의 하드웨어 단에서도 변화가 생겼다. 그냥 Device 자체를 연결시키는 것은 무리이기 때문에 이를 모듈 형태로 구현하였다. 모듈 형태로 구현한다면 쉽게 탈/부착 가능하기 때문이다.

하드웨어 영역은 Device와 Device Controller로 분리하였고, 소프트웨어 영역은 Device Driver와 Kernel I/O SubSystem으로 분리하였다. 소프트웨어 영역의 Device Driver를 통해 실제로 하드웨어에 접근하여 관리를 할 수 있게 된 것이다.

 

그렇기 때문에 Device Driver는 각 제조사 측에서 만들어야 한다.

 

device driver만 만들면 끝일까? Kernel I/O subsystem 상에서의 I/O 명령을 모든 device driver가 전부 수용할 수 있을까? 안그래도 OS도 여러가지인데 쉽지는 않을 것이다.

 

그렇기에 만든 것이 device-driver interface이다.

인터페이스란 서로 다른 구현체(여기서는 장치들)이더라도, 인터페이스를 통해서 동일한 명령을 수행하면 구현체에 따른 적합한 행동을 한다.

device driver가 여러 가지이더라도 운영체제에 맞는 device-driver interface를 작성한다면 문제 없을 것이다.

 

 

 

실제로 프로세스가 명령을 내리면, Device는 위와 같은 과정을 통해 명령을 수행한다.

특이한 것은 DDI(Device Driver Interface)가 마치 File System과 같이 동작한다는 것이다. 마치 파일을 읽고 쓰는 것 마냥 장치를 읽고 쓰도록 한다.

 

 

 

 

kernel I/O Management

 

I/O만 담당한다고 했던 _Kernel I/O Management_가 실제로 수행하는 역할은 무엇인지 한번 살펴보자.

 

• Device Reservation
  • 장치를 예약하고 할당한다.
  • 앞서서 다른 작업을 하고 있다면, 대기 큐에 집어넣고 다른 작업을 수행한다.
• Device Scheduling
  • 큐에 들어가 있는 작업 중에서 어떤 작업을 수행할 지 정한다.
  • 큐이지만, 들어온대로 작업을 하지 않을 수도 있다. 이는 "성능" 때문이다.
  • 프로세스 스케쥴링(=프로세서 스케쥴링)과 비슷한 맥락이다.
• Error Handling
  • 디바이스 드라이버가 장치에 오류가 발생했음을 알린다.
• Buffering
  • 입/출력 내용을 임시로 저장한다
  • 커널 메모리 안에 저장한다.
  • 목적은 다음과 같다.
    • 장치와 커널간의 속도 차이를 극복하기 위해서
    • 대량의 내용을 전달하기 위해 사이즈를 조절
    • 출력 버튼을 눌렀을 때의 내용만을 출력하기 위해서 = Copy Semantics
• Caching
  • 컴퓨터의 실행 속도를 높이기 위해 커널 메모리 상에 임시로 데이터를 저장한다.
• Spooling
  • 보조 기억 장치의 공간의 일부를 출력을 위해 사용한다.