[운영 체제] 11강 - 장치 관리

💡해당 게시글은 방송통신대학교 김진욱 교수님의 '운영 체제' 강의를 개인 공부 목적으로 메모하였습니다.

학습 개요

---

• 장치 관리자는 컴퓨터 시스템의 모든 주변 장치를 관리하는 역할을 함
• 디스플레이나 키보드, 프린터 등의 입 출력 장치, 자기 테이프나 디스크와 같은 저장 장치가 이러한 주변 장치에 해당됨
• 장치의 개념과 구성을 살펴보고, 입출력을 처리하는 여러 가지 방법을 살펴봄
• 장치와는 독립적으로 입출력을 관리하는 기법도 살펴봄

학습 목표

---

• 장치의 개념과 구성을 설명할 수 있음
• 입출력 처리를 위한 세 가지 방법을 설명할 수 있음
• 장치와는 독립적으로 입출력을 관리하는 두 가지 방법을 설명할 수 있음

강의록

---

장치의 개념

컴퓨터 시스템의 구성

• 다양한 장치들
  • CPU, 메모리
    • 프로세스 실행에 필수
  • 나머지 장치들
    • 프로세스 실행 시 데이터 입력이나 출력에 사용되는 입 출력 장치

  

입출력 장치의 구분

• 세 가지 범주
  • 전용 장치, 공용 장치, 가상 장치
• 구분 기준
  • 장치의 기능적 특징과 장치 관리자의 관리 방법

입출력 장치의 구분

• 전용 장치
  • 한 번에 단지 하나의 프로세스에만 할당
  • ex) 테이프 드라이브, 프린터, 플로터 등
  • 단점
    • 대기 시간이 길어질 수 있음
• 공용 장치
  • 여러 프로세스에 동시에 할당
  • ex) 디스크 같은 직접 접근 저장장치
  • 스케줄링 기법 필요
• 가상 장치
  • 전용 장치를 공용 장치처럼 보이게 함
  • 디스크 같은 공용 장치를 이용
  • ex) 스풀링을 적용한 플로터 등

장치의 구성

논리적 구성

• 장치 제어기

  

  • 장치를 직접적으로 다루는 전자 장치
  • 장치에서 발생하는 각종 데이터를 전자 신호로 변환하여 운영 체제로 보냄
  • 운영 체제가 요청하는 명령을 받아 장치를 구동
  • 운영 체제가 보내는 출력을 장치에 맞게 변환

• 장치 드라이버

  

  • 응용 프로그램의 입출력 요청을 해당 장치에 맞도록 변환
  • 장치의 종류나 제조사에 따라 장치 제어기가 이해하는 명령이나 명령의 종류가 다를 수 있기 때문
  • 보통 장치 제조사에서 해당 장치의 드라이버도 같이 제공

물리적 구성

• CPU의 장치 사용법

  

  • 장치 제어기의 레지스터를 이용
  • 장치의 상태를 확인하거나 장치에 명령

• 메모리 사상 입출력(Memory-mapped I/O)

  

  • 메모리의 특정 영역을 장치 제어기의 레지스터와 대응 시켜 둠
  • 메모리를 읽고 쓰는 것으로 CPU가 장치를 사용

입출력 처리 유형

입출력 처리

• 프로세스가 진행하며 입출력이 발생하는 경우
• 세 가지 유형
  • 프로그램 방법
  • 인터럽트 방법
  • DMA 방법

프로그램 방법

• CPU만 이용하는 폴링(Polling)을 이용하여 입출력을 처리
  • CPU가 입출력 장치의 상태를 지속적으로 확인하며 CPU가 원하는 상태가 될 때까지 기다림

  

• CPU 낭비가 심해 비효율적

인터럽트 방법

• 인터럽트(interrupt)를 이용하여 입출력을 처리
  • 인터럽트
    • 어떤 장치가 다른 장치의 작업을 잠시 중단 시키고 자신의 상태를 알리는 기능

  

• 프로세스를 대기 상태로 보내고 인터럽트가 발생할 때까지 CPU는 다른 프로세스를 처리할 수 있음

인터럽트 처리 과정

1. I/O장치가 가용한 상태가 되었다고 인터럽트 제어기에 신호를 보냄
2. 인터럽트 제어기는 CPU에 인터럽트 신호를 보냄
3. CPU는 현재 실행 중이던 명령만 마치고 즉시 인터럽트에 응답
4. 인터럽트 제어기는 이벤트 대상에 대한 정보를 CPU에 보냄
5. CPU는 현재 상태 보관 후 필요 한 입출력 처리

DMA 방법

• DMA(Direct Memory Access)를 이용하여 입출력을 처리
  • DMA 제어기를 이용하여 CPU를 통하지 않고 메모리에 직접 접근하여 데이터를 전송하는 방법
• 인터럽트 발생 횟수를 단 한번으로 줄여 CPU 효율 증대

• 사이클 스틸링(cycle stealing)

  

  • CPU와 DMA 제어기가 동시에 메모리 액세스를 시도하면 DMA 제어기에 우선권을 줌

DMA 처리 과정

1. CPU는 입출력에 필요한 정보를 DMA 제어기에 넘김
2. DMA 제어기는 소스에서 목적지로 데이터를 보내도록 장치 제어기에 요청하고, 이를 CPU가 지시한 양만큼 반복
3. 입출력이 끝나면 DMA 제어기는 인터럽트 제어기에 신호 보냄
4. 인터럽트 제어기는 CPU에 인터럽트 보냄

입출력 관리

입출력 관리

• 입출력 장치와는 독립적인 입출력 관리 방법
• 두 가지 방법
  • 버퍼링
  • 스풀링

버퍼링

• CPU의 데이터 처리 속도와 I/O 장치의 데이터 전송 속도의 차이로 인한 문제를 버퍼를 통해 해결
• 메모리를 일시적인 데이터 저장 장소인 버퍼로 이동

• 단일 버퍼링

  

  • 저장과 처리를 동시에 할 수 없어 비효율적

• 이중 버퍼링

  

• 순환 버퍼링

  

스풀링

• 입출력 프로세스와 저속 입출력 장치 사이의 데이터 전송을 자기 디스크와 같은 고속 장치를 통하도록 하는 것

  

• 프로세스 입장에서는 입출력 작업이 빨리 끝남
• 전용 장치를 가상 장치로 변화 시킴

정리 하기

---

• 운영 체제에서 장치 관리자는 시스템의 모든 주변 기기를 관리하며 입출력의 균형을 유지함
• 장치는 일반적으로 전용 장치, 공유 장치 그리고 가상 장치의 세 가지 범주로 구분 됨
• 입출력이 발생하는 경우 이를 처리하는 방법으로 프로그램 방법, 인터럽트 방법, DMA 방법이 있음
• 프로그램 방법은 CPU가 입 출력 장치의 상태를 지속적으로 확인하여 CPU가 원하는 상태가 될 때까지 기다리는 폴링을 이용하는 방법임
• 인터럽트 방법은 어떤 장치가 다른 장치의 작업을 잠시 중단 시키고 자신의 상태를 알리는 인터럽트를 이용하는 방법임
• DMA는 DMA 제어기를 이용하여 CPU를 통하지 않고 메모리에 직접 접근하여 데이터를 전송하는 방법임
• 장치와는 독립적으로 입출력을 관리하는 방법으로 버퍼링과 스풀링이 있음
• 버퍼링은 CPU의 데이터 처리 속도와 데이터 전송 속도의 차이로 인한 문제를 메모리의 일부를 일시적인 데이터 저장 장소로 사용하는 버퍼를 이용하여 해결하는 방법으로, 단일 버퍼링, 이중 버퍼링, 순환 버퍼링이 있음
• 스풀링은 입출력의 속도를 높이기 위해 입출력 프로세스와 저속 입출력 장치 사이의 데이터 전송을 자기 디스크와 같은 고속 장치를 통하도록 하는 방법임