IO-Systems

• toc {:toc}

I/O Hardware

• I/O 하드웨어는 signal 을 보내면서 OS 와 소통한다.
  • Port : 장치간 연결 지점
  • Bus : PCI or PCIe bus, Expansion bus, Serial-Attached SCSI (SAS) for disks
  • Controller : 컨트롤러를 이용해 device 에 접근한다.
    • 데이터를 디스크에 쓰는 역할, Error collection 역할
    • 메인 메모리 사용하도록 만들어줌

• Direct I/O : I/O port number 를 사용하여 할당 (메인 메모리 주소체계에 속하지 않음)
• Memory-Mapped I/O : Direct I/O 와 반대로 메인 메모리 주소체계와 I/O device 를 통합해서 사용
  • 주소를 통해서 메인 메모리 주소인지 I/O 주소인지 구분 가능

Polling

• 각 I/O byte 에 대해 디바이스에 변화가 있는지 지속적으로 감시하는 방식 (busy waiting 발생)

1. Busy bit 를 state register 로 부터 읽는다. (0 될 때 까지)
2. Host(CPU) 가 read write bit 를 설정하고 write 면 data-out register 에 데이터를 복사한다.
3. Host 가 command-ready bit 를 1 로 설정한다.
4. Controller 가 busy bit 을 1 로 설정하고 전송을 시작한다.
5. 전송이 끝나면 controller 는 bit 들을 다시 초기화한다.

Interrupts

• CPU 가 모든 instruction 을 실행하고 난 후 interrupt-request line 을 확인
  • Interupt 탐지되면 CPU 가 메모리의 고정된 주소에 위치한 interrupt request routine 으로 이동
• CPU → 2 개의 interrupt request line 을 갖는다.
  • Nonmaskable : 회복 불가한 메모리 오류에 대한 매우 중요한 인터럽트 (즉시 처리되어야 한다.)
  • Maskable : 요청된 컨트롤러에 의해 처리되는 인터럽트
• Interrupt vector → 올바른 handler 로 interrupt 전송
  • 해당 handler 에 대한 memory address 포함
  • OS 는 boot time 에 관련된 interrupt handler 를 설치한다.
• 예외처리를 위해서도 사용된다.
• Multi-CPU 는 인터럽트를 동시에 처리할 수 있다.
• 빈번하고 시간에 민감한 처리에 사용하고 빠르다.

Direct Memory Access

• I/O 가 발생하는 경우 device 에서 CPU 로 polling, interrupt 방식을 통해 신호를 보내고 CPU 가 다음의 signal 을 처리
• DMA 방식에서는 CPU 를 거치지 않고 바로 Main memory 로 접근한다.
• DMA controller 필요
• 작동 방식

1. CPU 는 DMA command block 을 메모리에 작성
2. CPU 가 DMA command block 주소를 DMA controller 에 기록하고 다른 작업을 진행
3. DMA contoller 는 직접 메모리 버스를 운영해 한 워드씩 전송

Kernel I/O Structure

• I/O system call 은 device behavior 들을 캡슐화한다.

Block and Character Devices

• Block device : Block 단위로 데이터를 주고 받는 것.
• Block device 는 disk drive 를 포함한다.
  • Command : read(), write(), seek()
  • Raw I/O, direct I/O(buffering, locking 없이), 또는 file-system 접근을 말한다.
  • Demand paging 통해 가져온 virtual memory, cluster 에 파일 mapping ⇒ Block 단위
• Character device : Character 단위로 주고 받는 것
  • Command : get(), put()

Clocks and Timers

• Basic function
  • 현재 시간
  • 경과 시간
  • X 연산에 의해 발생된 시간 T

Clock signal 만들어 사용

Nonblocking and Asynchronous I/O

• Blocking : I/O 요청이 완료될 때까지 프로세스 중단
• Nonblocking : I/O 요청 후 기다리지 않고 프로세스 진행.
• Asynchronous : I/O 요청 후 I/O 처리 완료되었다고 interrupt callback 오면 받는다.