[컴퓨터 밑바닥의 비밀] 6장. 입출력

이 글은 「컴퓨터 밑바닥의 비밀」 책의 내용을 정리한 것입니다.

저작권 문제시 비공개하겠습니다. 

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입출력을 구현하는 원리와 프로그래머로서 어떻게 하면 더 효율적으로 프로그램이 입출력을 처리하도록 할 것인가…

 

 

6.1 CPU는 어떻게 입출력 작업을 처리할까?

 

*장치 레지스터(device register)

CPU에서 메모리에서 읽은 데이터를 임시로 저장하거나 CPU에서 계산한 중간 결과를 저장하는 레지스터가 있는 것 처럼 장치에도 자체적인 레지스터인 장치 레지스터(device register)가 있다.

 

1) 데이터를 저장하는 레지스터

ex) 사용자가 키보드의 키를 누르면 그 정보는 이 레지스터에 저장된다.

2) 제어 정보와 상태정보를 저장하는 레지스터: 이런 레지스터를 읽고 쓰는 작업을 이용해서 장치를 제어하거나 장치 상태를 볼 수 있다.

 

그럼 어떻게 장치 레지스터를 읽고 쓸까? → 기계 명령어로 읽고 쓴다.

그럼 또 기계 명령어는 어떻게 설계되어야 할까 ?

*입출력 구현 방법 2가지.

 

1. 입출력 기계 명령어

: 특정 입출력 기계 명령어 사용.

 

1)CPU 내부에서 산술 계산, 점프, 메모리 읽기와 쓰기 등을 수행할 때 특정한 기계 명령어가 있는 것처럼 장치 레지스터를 읽고 쓰는 특정한 기계 명령어가 있다. 

2) 원리는 장치마다 고유한 주소가 있고, 입출력 명령어에 장치 주소를 지정한다.

ex) x86의 IN, OUT 기계 명령어.

 

2. 메모리 사상 입출력

: 메모리 읽기와 쓰기 명령어를 함께 사용하지만 주소 공간의 일부분을 장치에 할당하기.

LOAD와 STORE 처럼 메모리를 읽고 쓰는 명령어를 사용해서 장치 레지스터도 읽고 쓸 수 있지 않을까 ?

→ LOAD, STORE 명령어와 함께 전달되는 ‘메모리 주소 공간(memory address space)’ 정보로 가능하다.

 

메모리 주소 공간과 실제 메모리 주소는 다른 개념이며, CPU는 주소의 데이터가 실제 메모리 어디에 있는지는 알 필요가 없다. 따라서 주소 공간의 일부를 장치에 할당할 수 있다.

 

ex) 00000000~11111111 주소공간이 있을 때, 11110010이라는 주소가 도착했다면.

앞의 4비트가 모두 1이면 장치를 대상으로 동작하고 아니면 일반적인 메모리 읽기 명령어로 동작한다.

*장치 상태 레지스터

키보드의 키 데이터가 들어오고 있는지, 마우스의 데이터가 들어오고 있는지 등 CPU가 장치의 작업상태를 알 수 있는 방법.

 

1) 폴링: 계속 검사하기

while(키가 눌리지 않음){      ; // 키가 눌릴 때 까지 대기 } 키보드 데이터 읽기

CPU는 불필요하게 항상 순환하며 대기함.

 

2) 인터럽트 구동식 입출력: 비동기처리 방법.

프로그램 A의 기계 명령어 n 실행 프로그램 A의 기계 명령어 n + 1 실행 프로그램 A의 기계 명령어 n + 2 실행 인터럽트 신호 감지 프로그램 A의 실행상태 저장 인터럽트 처리 기계 명령어 m 실행 인터럽트 처리 기계 명령어 m + 1 실행 인터럽트 처리 기계 명령어 m + 2 실행 프로그램 A의 실행상태 복원 프로그램 A의 기계 명령어 n + 3 실행 프로그램 A의 기계 명령어 n + 4 실행 …

: 누군가 키보드를 누르면 CPU 를 중단시키고 키보드 데이터를 읽고 다시 중단된 작업을 실행. DYSEAC 시스템에서 처음 사용 됨.

* 인터럽트 처리방법의 내부 구현 구조::stack

프로그램 A 의 상태 저장 프로그램 B 의 상태 저장 프로그램 C 의 상태 저장 프로그램 C 의 상태 복원 프로그램 B 의 상태 복원 프로그램 A 의 상태 복원

: 상태가 먼저 저장될 수록 상태 복원은 더 나중에 됨. 이 스택은 반드시 커널에 있어야 함.

 

 

 

6.2 디스크가 입출력을 처리할 때 CPU 가 하는 일은 무엇일까?

: 스케줄링. 디스크가 입출력 요청을 처리하는 동안 운영체제는 CPU가 다른 작업을 수행하도록 스케줄링함.

 

디스크의 입출력 처리와 CPU가 실행하는 작업은 서로 의존하지 않는 독립적인 두 작업이므로 병행 처리가 가능하다.

 

 

*디스크가 입출력 요청을 처리하는 전체 과정에서 왜 CPU 개입이 필요하지 않을까 ?

장치 제어기, 직접 메모리 접근, 인터럽트의 관계를 이해하면 알 수 있다.

 

1. 장치 제어기

: 디스크의 눈에 보이고 만질 수 있는 기계 부분을 제외한 부분

 

기계 장치인 디스크에서 데이터가 헤드의 트랙에 없을 때 다른 트랙으로 이동하며 탐색 과정을 거친다. 탐색 시간은 디스크 입출력 중에서 매우 많은 시간을 소모하는 작업이다. 

 

즉, CPU와의 속도차이가 크기 때문에 기계 장치와 소프트웨어 사이에 장치 제어기(하드웨어 전자부분)을 두어 장치에서 읽은 데이터나 장치에 저장할 데이터를 저장한다.

 

2. 직접 메모리 접근(Direct Memory Access)

: CPU 개입이 없는 상황에서 직접 장치와 메모리 사이에 데이터를 전송할 수 있는 작동 방식.

 

1) CPU가 어떻게 데이터를 복사할지 알려주는 명령어를 DMA에 전달.

2) DMA는 자신의 작업 목표를 명확히 하고 버스의 사용 권한을 요청한 후 장치를 작동시킨다.

3) 운영체제가 DMA에 필요한 가상 주소와 물리 메모리 주소 사이의 사상 정보를 제공해서 DMA가 가상 주소를 기반으로 직접 데이터를 전송한다.

4) DMA가 데이터 전송을 완료하면 인터럽트 작동 방식으로 CPU에게 알려준다.

6.3 파일을 읽을 때 프로그램에는 어떤 일이 발생할까?

 

1. 메모리 관점에서의 입출력

: 메모리 관점에서의 입출력은 단순한 메모리 복사일 뿐 그 이상도 이하도 아니다.

: 즉, 메모리와 외부 장치 사이에 복사 데이터가 왔다 갔다 하는 것을 입출력(I/O)이라고 한다.

 

- 입력(input): 데이터가 외부 장치에서 메모리로 복사

- 출력(output): 메모리에서 외부 장치로 복사

 

2. 프로세스가 파일을 읽는 전체 과정

char buffer[LEN]; read(buffer);

위 코드가 실행되는 과정을 살펴보자.

 

프로세스 A와 프로세스 B 두 개가 있다. 

프로세스 A가 현재 실행 중 이다.

프로세스 A 에 파일을 읽는 코드가 있다.

 

운영체제는 현재 프로세스 A의 실행을 일시 중지하고 입출력 블로킹 대기열에 넣는다.

디스크는 DMA 방식으로 데이터를 메모리 영역으로 복사한다.

 

이 때 운영체제는 쉬지 않고 준비 완료 대기열에 있는 프로세스 B를 꺼내서 실행한다.

 

즉, 운영체제의 스케줄링에 따라 CPU와 디스크가 모두 충분히 활용된다.

 

디스크가 데이터를 프로세스 A의 메모리에 복사하는 작업이 완료되면 디스크는 CPU에 인터럽트 신호를 보낸다.

CPU는 인터럽트 신호를 받고 처리가 중단되었던 함수로 점프한다.

 

이 때, 운영체제는 CPU를 프로세스 A에 할당할지, 프로세스 B에 할당할지 결정한다.

프로세스 B에 할당된 CPU 시간이 남아서 운영체제가 프로세스 B를 계속 실행하는 것으로 결정한다(가정)

프로세스 B는 계속 실행되고, 프로세스 A는 계속 대기한다.

 

프로세스 B가 일정 시간 실행된 후 시스템의 타이머가 타이머 인터럽트 신호를 보낸다.

CPU는인터럽트 처리 함수로 점프한다.

 

프로세스 A를 입출력 블로킹 대기열에서 준비완료 대기열로 옮긴다.

프로세스 A를 준비 완료 대기열에서 꺼내서 CPU에 할당하고 실행한다.

 

즉, 입출력 데이터는 먼저 운영 체제 내부로 복사되고, 이 후 운영 체제가 프로세스의 주소 공간으로 복사한다.

운영체제를 통한 복사라는 하나의 계층이 더 존재하는 것.

 

 

6.4 높은 동시성의 비결: 입출력 다중화

모든 입출력 장치는 파일이라는 개념으로 추상화된다.

모든 입출력 작업은 파일 읽기와 쓰기로 구현할 수 있다.

 

read(buffer);

 

* 파일 서술자(file descripter): 파일에 붙인 번호

파일을 열 때, 커널은 파일 서술자(file descripter)를 반환한다.

파일 작업을 실행할 때, 해당 파일 서술자를 커널에 전달한다.

커널은 이 숫자를 얻은 후 해당 숫자에 대응하는 파일에 관련된 모든 정보를 찾아 파일 작업을 완료할 수 있다.

 

파일 서술자를 사용하면 프로세스는 파일에 대해 아무것도 몰라도 된다.

 

또한, 관심 대상인 파일 서술자를 커널에 알려주고 커널에게 대신 감시하다가 읽고 쓸 수 있는 파일 서술자가 있을 때 알려주라고 할 수 있다. => 프로그래머가 동시에 많은 수의 파일 서술자를 다룰 수 있는 입출력 다중화(input/output multiplexting) 기술.

 

입출력 다중화로 여러 입출력을 한번에 처리할 수 있다.

ex) Linux 에서 select, poll, epoll 등

 

1) select: 입출력 다중화 기술에서 1024개를 넘지 않는 감시할 수 있는 파일 서술자 묶음을 지원한다.

- 문제점: 프로세스가 다시 깨어 났을 때 어떤 파일 서술자가 읽고 쓸 수 있는지 알 수 없어서 처음부터 끝까지 다시 확인해야 한다.

2) poll: select와 유사하고 파일 서술자 묶음에 1024개라는 제한이 없다.

3) epoll: poll 의 업그레이드 버전. 커널에 필요한 데이터 구조를 사용하여 준비 완료된 파일 서술자 목록을 갖고 있다. 오늘날의 입출력 다중화 기술.

 

 

6.5 mmap

메모리의 읽기/쓰기에 비해 파일 읽기/쓰기는 상대적으로 복잡하다.

그럼, 메모리를 읽고 쓰는 것처럼 디스크의 파일을 읽고 쓸 수는 없을까 ?

 

*mmap: 가상 메모리를 활용해서 메모리의 특정 공간에 파일을 mapping(사상)하는 방법.

 

1) 장점

- 디스크의 파일을 읽고 쓸 때 시스템 호출과 데이터 복사 부담이 없다.

- 큰 파일도 처리할 수 있다.

- 많은 프로세스가 동일한 동적 링크 라이브러리를 참조할 때, mmap으로 해당 라이브러리를 사용하는 모든 프로세스의 주소 공간에 직접 사상할 수 있다.

(동적 링크 라이브러리는 동적 라이브러리를 참조하는 프로그램이 아무리 많더라도 실행 파일에는 라이브러리의 코드와 데이터가 포함되지 않아서 저장 공간을 절약할 수 있다.) 

 

2) 단점

- 프로세스 주소 공간과 파일의 사상 관계를 유지하기 위해 특정 데이터 구조를 사용해야 한다. 성능 부담.

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