[운영체제] I/O Control : Polling, Interrupt Driven I/O, DMA방법이란?

 

I/O, 즉 입출력을 제어하는 방법에는 여러 가지가 있다.

 

1. Polling
2. Interrupt Driven I/O
3. Direct Memory Access(DMA)

 

위 방법 중에서 먼저 Polling 방법에 대해 알아보자.

 

 

Polling이란?

 

Polling을 이해하기 위해서는 입출력이 이루어지는 과정부터 이해할 필요가 있다.

 

 

 

그림에서 System Call이 먼저 호출된다.

앞서서 배웠던 것처럼, Interrupt에 의해 Kernel 영역으로 실행의 흐름이 옮겨진다.

이때 I/O Management에서 실제로 입/출력을 담당하는 장치가 무엇인지 판단한다. 이게 가능한 이유는 중간에 Device-drive-interface가 존재하기 때문이다. Device-drive-interface는 실제 Device Driver와 I/O Management를 이어주는 역할을 하기 때문에 어떠한 Device Driver가 오더라도 I/O Management와 호환시켜 준다.

 

Device Driver는 해당 장치를 만든 회사에서 구현해야 한다. 운영체제 입장에서는 너무나도 많은 장치가 자신의 운영체제에 장착(?)될 수 있기 때문에 호환시켜 줄 I/O Management만 필요하지, Device Driver를 구현할 필요는 없다. 이러한 Device Driver는 장치가 어떠한 입력이 주어졌을 때, 어떤 출력(동작)을 내놓을지 정의해 놓아야만 한다.

 

Polling을 한 줄로 설명하자면, "끝날 때까지 계속 묻는 것"이라고 할 수 있다. 이를 위해서 장치 내부의 레지스터의 동작 과정을 알아야 한다.

 

이는 생각보다 단순하다. 장치는 Control Register, Status Register, 그리고 Internal Buffer로 구성되는데, Control Register는 Command(명령)을 전달하기 위해 사용되는 레지스터이고, Status Register는 현재 I/O가 완료되었는지, 진행 중인지 혹은 오류 등이 일어났는지 알려주는 레지스터이다.

 

먼저, 모든 레지스터는 Controller안에 위치한다. 여기에 있는 레지스터 값을 Host와 Device가 바꾸어 가며, 입/출력 로직을 진행한다.

 

최초에 장치로 요청이 들어오면, Controller안의 busy bit이라는 비트를 읽으며, 해당 비트가 1일 때는 장치가 다른 작업을 하고 있으므로 I/O를 진행할 수 없는 상태라고 파악한다. 만약 1이 아닌 0이라면 Control register안에 있는 write bit를 1로 세팅하고, data-out register에 입력 바이트 값을 집어넣는다. 이 data-out register는 Internal Buffer에 해당되며, 임시로 데이터를 저장하는 역할을 한다.

 

여기까지의 상태를 command-ready 상태라고 하는데, 이는 Host가 Device한테 입/출력할 준비됐어요~하는 것과 같다.

 

이내, Controller는 command-ready가 1로 set 된 것을 보고 busy bit를 1로 set 한다. 장치는 이제 control register(write command)를 읽고, data-out register를 통해 입력 값을 받아들여 I/O를 수행한다.

 

Polling 한다는 것은 위와 같은 방식으로 동작하는 장치에 대해서 주기적으로 status를 확인하는 방식이다.

하지만, Device Driver의 코드를 계속해서 실행시켜하기 때문에 busy wating이 발생한다는 단점이 있다.(Pragrammed I/O)

 

 

 

 

 

Interrupt-Driven I/O란?

 

Polling 방식에서는 입/출력이 빠른 것에는 효율적이나, 입/출력이 느린 것에는 효율적이지 않다. 매번 busy waiting을 하기 때문이다.

 

이에 따라 Interrupt-Driven I/O 방식이 나오게 되었다.

 

 

이 방식은 User Process에서 I/O 요청이 일어나면, Device Driver가 Device를 실행할 수 있도록 하는데, 만약 Device가 I/O 작업에 들어가게 된다면 현재의 프로세스를 Block 시킨다.

 

즉, I/O 작업 중인 프로세스를 Block 상태로 만들어버리기 때문에 다른 프로세스에서 작업하는 게 가능하다.

여기서 Block 된 프로세스로 인해 다른 프로세스로 컨텍스트 스위치가 발생하여 새로운 프로세스로 넘어갔다고 해보자. 그러다가 CPU가 Block 된 프로세스의 I/O 작업이 완료되어 수행이 완료되었다는 IRQ(Interrupt Request)를 받게 되면, IRQ를 받음으로 인해 ISR(Interrupt Service Routine)이 실행되고 인터럽트에 대한 함수를 처리한다. 그리고, Block 된 프로세스를 Ready 상태로 변경시킨다.

 

이제, Kernel Mode에서 프로세스로 돌아가야 한다. 이때 돌아가기 전에 프로세스에 도착한 시그널이 있는지, 혹은 남은 ISR이 있는지 등을 확인한다.

 

중요한 것은 이제 어떤 프로세스로 돌아갈 것이냐이다.

I/O작업이 완료된 프로세스로 돌아갈 것인지, 혹은 새로운 프로세스로 돌아갈 것인지 선택해야 한다.

이러한 과정은 스케쥴러가 결정하며, 만약 I/O 작업이 완료된 프로세스의 우선순위가 더 높다면 해당 프로세스로 돌아간다. 

 

 

 

 

Direct Memory Access(DMA)

 

입/출력은 항상 Processor를 거쳐서 들어가거나 나간다.

하지만 입/출력이 굉장히 많아진다면, 인터럽트도 엄청나게 많이 나온다. 그러면 사용자 프로그램은 정상적으로 돌아가기 어려울 것이다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 나온 것이 DMA이다.

 

프로세서는 I/O 작업을 DMA 모듈로 위임한다. 이때 DMA 모듈은 하나가 아니라 여러 개가 될 수 있기 때문에 여러 I/O를 프로세서의 현재 동작과 관계없이 수행할 수 있다.

 

이후, I/O작업이 종료되면, DMA는 쌓아놓은 I/O 처리 결과를 프로세서로 한 번에 송신한다.