입출력은 운영체제에서 가장 다루기 어려운 부분이다. 키보드는 1초에 몇 글자를 보내고 디스크는 1초에 수억 바이트를 보내는 등 장치마다 속도, 다루는 법, 오류의 모양이 제각각이다. 운영체제는 층을 나눠 장치의 세부를 아래층에 숨기고, 위층에는 열기·읽기·쓰기 같은 똑같은 인터페이스를 보여 준다. 그래도 장치마다 차이가 너무 커서 완전히 똑같이 다루지는 못한다.
예시로 보기
장치는 누구와 이야기하느냐로 세 무리로 나뉜다.
| 무리 | 상대 | 예 |
|---|---|---|
| 사람이 읽는 장치 | 사용자 | 프린터, 터미널, 화면, 키보드, 마우스 |
| 기계가 읽는 장치 | 전자 장비 | 디스크, USB 메모리, 센서, 컨트롤러, 구동기 |
| 통신 장치 | 멀리 있는 장치 | 디지털 회선 드라이버, 모뎀 |
이 장치들은 여섯 가지에서 다르다.
| 차이 | 예 |
|---|---|
| 데이터 속도 | 키보드와 기가비트 이더넷 사이에 수백만 배 차이가 난다 |
| 쓰임 | 파일을 담는 디스크는 파일 관리 소프트웨어가, 가상 메모리 페이지를 담는 디스크는 특수 하드웨어·소프트웨어가 필요하다. 관리자 터미널은 우선순위가 높을 수 있다 |
| 제어의 복잡도 | 프린터는 단순하고 디스크는 훨씬 복잡하다. 장치를 맡은 입출력 모듈이 복잡함을 일부 걸러 준다 |
| 전송 단위 | 바이트나 문자의 흐름(터미널), 또는 큰 블록(디스크) |
| 데이터 표현 | 문자 코드, 패리티 규칙 등이 장치마다 다르다 |
| 오류 | 오류를 알리는 방식, 결과, 대응 방법이 장치마다 크게 다르다 |
정확히 말하면
입출력 기능의 발전
입출력 기능은 여섯 단계를 거쳐 발전했다.
| 단계 | 내용 |
|---|---|
| 1 | 프로세서가 주변 장치를 직접 제어한다 |
| 2 | 컨트롤러(입출력 모듈)가 생긴다. 프로세서는 인터럽트 없이 프로그램 입출력을 쓰지만, 장치의 세부는 몰라도 된다 |
| 3 | 입출력 모듈이 인터럽트를 쓴다. 프로세서가 입출력을 기다리며 시간을 쓰지 않아 효율이 오른다 |
| 4 | DMA. 데이터 블록이 프로세서를 거치지 않고 메모리로 옮겨진다. 프로세서는 시작과 끝에만 관여한다 |
| 5 | 입출력 모듈이 별도 프로세서가 된다. 프로세서는 입출력 프로세서에게 주기억장치에 있는 입출력 프로그램을 실행하라고 지시한다 |
| 6 | 입출력 모듈이 자기 지역 메모리를 가진다. 대화형 터미널 여러 대와의 통신을 맡는 데 흔히 쓴다 |
단계 1~4는 입출력 기법에서 본 세 기법의 순서와 같다.
DMA 배치. DMA 모듈은 여러 방식으로 붙는다. 모든 모듈이 시스템 버스 하나를 함께 쓰면 단순하지만, 워드 하나 옮길 때마다 버스를 두 번 쓴다. DMA와 입출력 모듈 사이에 직접 길을 두면 버스 사이클이 크게 준다. 입출력 전용 버스를 두면 DMA 모듈의 입출력 인터페이스 수가 준다.
(가) 모든 모듈이 시스템 버스 하나를 함께 씀
프로세서 DMA 입출력 모듈 메모리
| | | |
====+=========+============+============+==== 시스템 버스
(나) DMA와 입출력 모듈 사이에 직접 길
프로세서 DMA ------ 입출력 모듈 메모리
| | |
====+=========+=========================+==== 시스템 버스
(다) 입출력 전용 버스
프로세서 DMA 메모리
| | |
====+=========+=========================+==== 시스템 버스
|
=====+========+===========+=== 입출력 버스
| |
입출력 모듈 입출력 모듈
(가)에서는 DMA가 입출력 모듈에서 워드를 받을 때와 메모리에 쓸 때 모두 시스템 버스를 지난다. (나)와 (다)에서는 입출력 모듈 쪽 길이 시스템 버스 밖으로 빠져서 시스템 버스는 메모리 쪽 한 번만 쓴다.
설계 목표
| 목표 | 내용 |
|---|---|
| 효율 | 입출력 장치는 주기억장치보다 아주 느리다. 다중 프로그래밍으로 일부 프로세스가 입출력을 기다리는 동안 다른 프로세스를 실행한다. 그래도 입출력이 프로세서를 따라가지 못해 준비된 프로세스를 들이려고 스와핑을 하는데, 스와핑 자체가 입출력이다 |
| 일반성 | 단순하고 오류가 적도록 모든 장치를 같은 방식으로 다루고 싶다. 장치 세부는 아래층 루틴에 숨긴다. 완전히 일반화하기는 어렵지만 층을 나눈 모듈 설계로 상당 부분 할 수 있다 |
층 구조
각 층은 바로 아래층에 더 원시적인 일을 맡기고 바로 위층에 서비스를 준다. 한 층을 바꿔도 다른 층은 바뀌지 않아야 한다. 장치 종류에 따라 맨 위층이 다르다.
flowchart TB
P[사용자 프로세스]
P --> L["맨 위층: 장치 종류마다 다름<br/>· 지역 장치 → 논리적 입출력<br/>· 통신 포트 → 통신 구조(예: TCP/IP)<br/>· 파일 시스템 → 디렉터리 관리, 파일 시스템, 물리적 구성"]
L --> D[장치 입출력]
D --> S[스케줄링과 제어]
S --> H[하드웨어]
| 층 | 하는 일 |
|---|---|
| 논리적 입출력 | 장치를 논리적 자원으로 다룬다. 프로세스는 장치 식별자와 열기·닫기·읽기·쓰기 같은 단순한 명령만 쓴다 |
| 장치 입출력 | 요청을 입출력 명령어, 채널 명령, 컨트롤러 지시의 순서로 바꾼다. 버퍼링으로 이용률을 높이기도 한다 |
| 스케줄링과 제어 | 입출력 연산의 큐 관리와 스케줄링, 인터럽트 처리, 상태 수집을 실제로 한다. 장치와 직접 주고받는 층이다 |
| 디렉터리 관리 (파일 시스템) | 기호로 된 파일 이름을 파일을 가리키는 식별자로 바꾼다 |
| 파일 시스템 | 파일의 논리적 구조와 열기·닫기·읽기·쓰기 같은 연산, 접근 권한을 다룬다 |
| 물리적 구성 | 파일과 레코드를 2차 기억장치의 물리 주소로 바꾼다 |
활용
- UNIX와 리눅스에서는 장치마다 특수 파일(
/dev/sda같은)이 있다. 장치에 읽고 쓰는 것은 그 특수 파일에 읽고 쓰는 것과 같아, 사용자와 프로세스에게 깔끔하고 통일된 인터페이스를 준다. 리눅스는 블록 장치, 문자 장치, 네트워크 장치를 구별한다. - Windows는 입출력 관리자가 모든 입출력을 맡고, 모든 종류의 드라이버가 부를 수 있는 같은 인터페이스를 준다. 성능을 위해 가능하면 비동기 입출력을 쓴다.
연결
- 선수: 입출력 기법, 운영체제의 역할 (입출력 장치 접근 서비스)
- 다음: 입출력 버퍼링, 디스크 스케줄링
- 층 구조는 운영체제 전체를 층으로 나눠 설계하는 것과 같은 생각이다 → 마이크로커널
확인 문제
C1 입출력 장치의 세 무리와 장치끼리 다른 여섯 가지 중 넷을 쓰라.
답: 무리: 사람이 읽는 장치, 기계가 읽는 장치, 통신 장치. 차이: 데이터 속도, 쓰임, 제어의 복잡도, 전송 단위, 데이터 표현, 오류 조건 중 넷.
C2 입출력을 층으로 나누는 이유는? 프린터를 새 모델로 바꿀 때 어느 층만 바뀌어야 하는가?
답: 한 층을 바꿔도 다른 층이 바뀌지 않게 하려는 것이다. 새 프린터는 장치와 직접 주고받는 아래층(장치 입출력, 스케줄링과 제어, 즉 드라이버 쪽)만 바뀌고, 응용이 쓰는 논리적 입출력(열기·쓰기)은 그대로여야 한다.
C3 입출력 기능 발전의 4단계(DMA)와 5단계(입출력 프로세서)는 프로세서가 맡기는 일의 크기가 어떻게 다른가?
답: DMA에는 블록 하나의 전송(읽기·쓰기, 주소, 시작 위치, 워드 수)을 맡긴다. 입출력 프로세서에는 주기억장치에 있는 입출력 프로그램 전체를 맡겨, 여러 전송과 판단을 프로세서 개입 없이 처리하게 한다.