[OS] I/O 장치 - 폴링 & 인터럽트 & DMA

이 글은 '운영체제 아주 쉬운 세가지 이야기' 책을 학습하고 정리한 내용입니다.

 

운영체제 아주 쉬운 세 가지 이야기

 

 

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 위 이미지는 일반적인 시스템 구조를 나타낸 것이다. RAM과 GPU와 같이 고속 통신을 요구하는 장치는 CPU와 근접해 있고, HDD와 그외 다른 장치들을 상대적으로 CPU로 부터 멀리 떨어져있다. 이런 계층적인 구조를 갖는 이유는 ‘비용’과 장치간의 ‘물리적인 거리’를 고려하여 등장한 개념이다. 버스가 고속화되려면 더 짧아져야 되지만, 고속의 메모리 버스는 여러 장치를 수용할 수 없다(또한, 비싸다). 이러한 이유로, 고성능 장치는 CPU와 가깝게 두고, 느린 성능의 장치들을 그보다 멀리 배치한다.

 

 

36. 2 표준 장치

가상의 표준 장치를 가정하고, 컴퓨터 시스템에서 OS와 장치가 어떻게 연결될 수 있는 지 알아보고자 한다.

 

 위 표준 장치는 두 개의 중요한 요소를 갖는다. 첫번째는 시스템의 다른 구성 요소들에게 제공하는 하드웨어 인터페이스이다. 시스템 소프트웨어가 하드웨어의 동작을 제어할 수 있도록 인터페이스를 제공해야 한다. 두번째는 내부 구조(내부장치)이다. 구현 방법에 따라 다르지만, 표준 장치는 시스템에게 제공하는 ‘장치에 대한 추상화’를 정의해야하는 책임을 갖고있다.

 

 

36.3 표준 방식

 위 표준 장치의 인터페이스는 총 3개의 레지스터를 가지고 있다. ‘상태’ 레지스터는 장치의 현재 상태를 읽을 수 있으며, ‘명령’ 레지스터는 장치가 특정 동작을 수행하도록 요청할 때 사용되며, ‘데이터’ 레지스터는 장치에 데이터를 보내거나 받거나 할 때 사용된다. 이러한 레지스터들을 읽고 쓰기를 통해 장치를 제어할 수 있다.

 

운영체제와 장치의 상호작용은 아래의 4가지 단계로 표현된다.

(1) While (STATUS == BUSY); // 장치가 바쁜 상태가 아닐 때까지 대기
(2) 데이터를 DATA 레지스터에 쓰기
(3) 명령어를 COMMAND 레지스터에 쓰기 -> 이후 장치가 실행
(4) While (STATUS == BUSY); // 장치가 요청을 완료할 때까지 대기

 

첫번째 동작에서는, 반복적으로 장치의 상태 레지스터를 읽어서 명령의 수신 가능 여부를 확인한다. 이러한 동작을 장치에 대해 폴링(polling)한다고 표현한다.

Polling is the process where the computer or controlling device waits for an external device to check for its readiness or state, often with low-level hardware. For example, when a printer is connected via a parallel port, the computer waits until the printer has received the next character. (출처 : 위키피디아)

 

 두번째는 운영체제가 데이터 레지스터에 특정 데이터를 전달한다.

 세번째로, 운영체제가 명령 레지스터에 명령어를 전달한다. 장치는 명령어가 전달되면, 데이터는 이미 적재된 상태라고 인지할 것이다.

 마지막으로, 운영체제는 장치가 수행을 완료할 때까지 폴링을 통해 기다릴 것이다.

 

 위 동작은 매우 간단하지만, 매우 비효율적이라는 단점을 갖고 있다. 이 방식이 갖고 있는 첫번째 문제점은 ‘매우 비효율적인 폴링’을 사용하고 있다는 것이다. CPU는 다른 프로세스에게 점유되지 않고, 장치가 동작을 완료하는 동안 대기하고 있을 뿐이다. 입출력 장치는 매우 느리기 때문에, CPU가 무작정 대기함으로써 CPU 시간을 낭비하게 될 것이다. 따라서, 폴링 비용을 줄일 방법이 필요하다.

 

 

36. 4 인터럽트를 이용한 CPU 오버헤드 개선

 디바이스를 폴링하는 대신 운영체제는 입출력 작업을 요청한 프로세스를 블록시키고 CPU를 다른 프로세스에게 양도한다. 장치가 작업을 끝마치고 나면 하드웨어 인터럽트를 발생시키고 CPU는 운영체제가 미리 정의 해두놓은 인터럽트 서비스 루틴(interrupt service routine(ISR)) 또는 간단하게 인터럽트 핸들러(interrupt handler)를 실행한다. 이 핸들러는 운영체제 코드의 일부이며, 입출력 요청의 완료, I/O를 대기중인 프로세스 깨우기 등을 수행한다.

 

 그러나 인터럽트가 항상 만능인 것은 아니다. 예를 들어 대부분 작업이 한 번의 폴링만으로 끝날 정도로 매우 빠른 장치일 경우, 오히려 인터럽트를 사용해서 발생하는 context switching 비용이 더 클 수 있다. 따라서, 빠른 장치라면 폴링이 최선이고 느리다면 인터럽트를 사용하여 CPU 오버헤드를 줄이는 것이 효율적인 선택이다.

 

 만약 장치에 대한 속도를 모른다면, 하이브리드 방식을 채택할 수 있다. 하이브리드 방식이란, 짧은 시간 동안만 폴링하다가 처리가 완료되지 않으면 인터럽트 방식을 사용하는 것이다.

 

 

36.5 DMA를 이용한 효율적인 이동

 많은 양의 데이터를 디스크로 전달하기 위해 programmed I/O 를 사용하면 CPU가 또 다시 작업처리에 소모된다. 다른 프로세스를 처리할 시간에 디스크에 데이터를 입력하는데 리소스가 소모되는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘직접 메모리 접근 방식(Direct Memory Access, DMA)’이 도입되었다. DMA 엔진은 시스템 내에 있는 특수 장치로서, CPU의 간섭없이 메모리와 직접적으로 통신한다.

 

 데이터를 장치로 전송한다고 했을 떄 운영체제는 DMA 엔진에 메모리 상의 데이터 위치와 전송할 데이터의 크기와 대상 장치를 프로그램(설정)한다. 그 시점에 장치로 데이터를 전송하기 위한 준비는 끝마쳤기 때문에, 다른 프로세스가 CPU를 점유하게 된다. DMA엔진은 운영체제에게 요청받은 동작을 독자적으로 수행하고, 완료되면 인터럽트를 발생시켜 운영체제에게 알린다.