11장 입출력 관리와 디스크 스케줄링

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11장 입출력 관리와 11장 입출력 관리와

디스크 스케줄링 디스크 스케줄링

11장의 강의 목표

• 입출력 장치와 입출력 기능의 구성을 이해한다.

• 입출력 장치와 관련된 운영체제 설계 이슈들을 살펴본다.

• 입출력 버퍼링에 대해서 살펴본다. 입출력 버퍼링에 대해서 살펴본다

• 디스크 스케줄링 기법에 대해서 살펴보고, RAID 시스템

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목 차

11.1 입출력장치

11.2 입출력 기능의 구성 11.3 운영체제 설계 이슈 운영체제 설계 이슈 11.4 입출력 버퍼링

11 5

11 5 디스크 디스크 스케줄링 스케줄링 11.5

11.5 디스크 디스크 스케줄링 스케줄링 11.6 RAID

11.7 디스크 캐시

11.8 UNIX SVR4의 입출력 의 입출력 11.9 Linux의 입출력

11 10 Windows의 입출력

입출력관리와 디스크스케줄링 3

11.10 Windows의 입출력

11.1 입출력 장치

• 입출력 장치의 범주

인간 가독 장치 – 인간 가독 장치

• 컴퓨터 사용자가 컴퓨터와 대화하는 데 적합한 장치

• 프린터와 터미널(디스플레이, 키보드, 마우스) – 기계 가독 장치

• 전자 장비와의 통신에 적합한 장치 디스크 드라이브

• 디스크 드라이브

• USB 플래시 메모리

• 센서(sensor)

• 제어기

• 작동장치(actuator) 통신 장치

– 통신 장치

• 원격 장치와의 통신에 적합한 장치

• 디지털 라인 드라이버

• 모뎀

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입출력 장치들의 상이점

11.1 입출력 장치

• 데이터 전송률

각 장치들의 데이터 전송률은 단위가 다를 정도의 차이가 있음 – 각 장치들의 데이터 전송률은 단위가 다를 정도의 차이가 있음

• 응용

파일 저장용으로 사용되는 디스크는 파일 관리 소프트웨어를 필 – 파일 저장용으로 사용되는 디스크는 파일 관리 소프트웨어를 필

요로 함

– 가상 메모리 페이지의 백업용으로 사용되는 디스크는 특별한 하가상 메 리 페이지의 백업용 사용되는 디 는 특별한 하 드웨어와 소프트웨어를 필요로 함

– 시스템 관리자가 사용하는 터미널은 더 높은 우선순위를 가질 수 있음

수 있음

• 제어의 복잡도

• 전송 단위

– 터미널은 데이터를 바이트 단위의 스트림으로 전송 디스크는 더 큰 블록 단위로 데이터 전송

– 디스크는 더 큰 블록 단위로 데이터 전송

입출력 장치들의 상이점 (계속)

11.1 입출력 장치

•

데이터 표현

– 데이터 인코딩 체계의 다양성데이터 인코딩 체계의 다양성

•

에러 조건

– 각 장치들은 발생한 에러에 다양하게 대처

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입출력 장치의 데이터 전송 속도

11.1 입출력 장치

11.2 입출력 기능의 구성

• 입출력 수행 기법

– 프로그램된 입출력

• 입출력을 요청한 프로세스는 완료될 때가지 바쁜 대기 상태 유지

– 인터럽트 구동 입출력

• 입출력 명령 내림

• 처리기는 진행 중인 작업 계속 수행

• 입출력이 완료되면 인터럽트가 걸린다.

직접 메모리 접근 (DMA) – 직접 메모리 접근 (DMA)

• DMA 모듈은 주기억장치와 입출력 장치 사이의 데이터 전송 제어 처리기는 모든 블록이 전송된 후에 인터럽트를 전달 받음

• 처리기는 모든 블록이 전송된 후에 인터럽트를 전달 받음

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입출력 기법들간의 관계

11.2 입출력 기능의 구성

입출력 기능의 발전

1. 처리기가 주변 장치를 직접 제어 2. 제어기 또는 입출력 모듈 필요 2. 제어기 또는 입출력 모듈 필요

– 처리기는 인터럽트를 사용하지 않는 프로그램 입출력 이용 – 처리기는 외부 장치의 상세 동작을 처리할 필요가 없음 3 인터럽 를 사용하는 제어기 는 입출력 듈

3. 인터럽트를 사용하는 제어기 또는 입출력 모듈

– 처리기는 입출력 작업이 끝날 때까지 대기할 필요가 없음

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직접 메모리 접근 (DMA)

• 처리기는 DMA 모듈에게 입 출력 동작을 위임

출력 동작을 위임

• DMA 모듈이 직접 주변 장치 와 주기억장치 사이의 데이터 와 주기억장치 사이의 데이터 전송 담당

데이터 전송이 끝나면 DMA

• 데이터 전송이 끝나면 DMA 모듈이 처리기에게 인터럽트 신호 보냄

신호 보냄

DMA 구성 방안

11.2 입출력 기능의 구성 단기 스케줄링 평가 기준들

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11.3 운영체제 설계 이슈

• 설계 목적

– 효율성 (efficiency)

• 대부분의 입출력 장치는 주기억장치에 비해 접근 속도가 매우 느림

=> 입출력의 효율성 향상 필요> 입출력의 효율성 향상 필요

• 다중 프로그래밍을 사용하여 어떤 프로세스가 입출력을 기다리는 동안 다른 프로세스를 실행시킬 수 있음

• 입출력 장치는 처리기의 속도를 따라잡을 수 없음

• 입출력 동작 중인 다른 준비 상태의 프로세스를 주기억장치로 적재 하는 데 스와핑 작업이 사용됨

하는 데 스와핑 작업이 사용됨 – 일반성 (generality)

• 모든 입출력 장치를 일관된 방식으로 처리하는 것이 바람직함

• 입출력 작업의 상세한 동작을 저 수준 루틴 안에 숨김 (모듈 접근법)

입출력 기능의 논리적 구조

11.3 운영체제 설계 이슈

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11.4 입출력 버퍼링

• 버퍼링의 근거

프로세스는 다음 작업을 수행하기 위해 입출력이 완료될 때까지 – 프로세스는 다음 작업을 수행하기 위해 입출력이 완료될 때까지

기다려야 함

– 입출력 작업이 진행되는 동안 데이터가 저장된 또는 저장될 페 이지는 주기억장치 안에 반드시 존재해야 함

• 블록형 입출력

– 정보가 고정된 크기의 블록 단위로 저장 됨 – 데이터 전송 또한 한 번에 한 블록씩 이루어짐

디스 나 USB 플래시 메 리에 사용됨 – 디스크나 USB 플래시 메모리에 사용됨

• 스트림형 입출력

정 를 바이 단위 전 – 정보를 바이트 단위로 전송

– 터미널, 프린터, 통신 포트, 마우스 및 다른 지시 장치 그리고 보 조 기억장치가 아닌 모든 장치에 사용

조 기억장치가 아닌 모든 장치에 사용

단일 버퍼

11.4 입출력 버퍼링

• 입출력 요청을 처리하기 위해 운영체제는 주기억장치 내 에 하나의 버퍼를 할당함

에 하나의 버퍼를 할당함

• 블록형 입출력

– 입력 데이터가 이 버퍼로 전송 됨

– 데이터 블록은 필요할 때 사용자 공간으로 이동 – 또 다른 블록이 다시 이 버퍼로 전송 됨

• 미리 읽기(read ahead)라 불림

다음 블록이 읽혀 들여지는 동안 사용자 세스는 이미 읽은 – 다음 블록이 읽혀 들여지는 동안 사용자 프로세스는 이미 읽은

블록을 처리할 수 있음

– 입력이 사용자 메모리가 아닌 시스템 메모리에서 수행되기 때문입력이 사용자 메모리가 아닌 시스템 메모리에서 수행되기 때문 에 스와핑 작업이 가능함

– 운영체제는 사용자 프로세스에게 할당된 시스템 버퍼의 상태를 추적, 관리 해야 함

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단일 버퍼 (계속)

11.4 입출력 버퍼링

• 스트림형 입력

– 한 번에 한 라인씩 입출력

– 터미널 사용자는 한 번에 한 라인씩 입력하고 한 라인의 끝은 캐 리지 리턴으로 표시

리지 리턴으로 표시

– 출력 역시 한 번에 한 라인씩 행해짐

단일 버퍼 (계속)

11.4 입출력 버퍼링

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이중 버퍼

11.4 입출력 버퍼링

•

하나의 버퍼 대신에 2 개의 시스템 버퍼 사용

•

운영체제가 한개의 버퍼를 비우거나 채우는 동안 프로세스는 다른 버퍼로 또는 버퍼로부터 데이터를 전송할 수 있음

환형 버퍼

11.4 입출력 버퍼링

•

2 개 이상의 버퍼가 사용됨

•

각 버퍼 하나가 환형 버퍼의 한 단위가 됨

•

입출력 동작이 프로세스와 보조를 맞추어 진행되어야 할 때 사용 됨

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11.5 디스크 스케줄링

• 디스크 성능 매개변수

– 디스크로부터 데이터를 읽거나 쓰기 위해서는 원하는 트랙 내의 원하는 섹터로 디스크 헤드를 이동시켜야 함

– 탐색 시간 (Seek time)

• 원하는 트랙으로 헤드를 이동시키는 데 걸리는 시간원하는 트랙으로 헤드를 이동시키는 데 걸리는 시간 – 회전 지연 (Rotational delay or rotational latency)

• 원하는 섹터의 시작위치가 디스크 헤드에 도착하는 데 걸리는 시간원하는 섹터의 시작위치가 디 헤 에 착하는 데 걸리는 시간

디스크 성능 매개변수 (계속)

11.5 디스크 스케줄링

• 접근 시간 (Access time)

– 탐색시간 + 회전지연 시간

– 읽기/쓰기를 위한 위치로 이동하는 데 걸리는 시간

• 데이터 전송은 섹터가 헤드 아래에 위치되면 시작됨

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디스크 스케줄링 정책

11.5 디스크 스케줄링

• 탐색 시간이 성능 차이의 원인

• 하나의 디스크에 대해 많은 입출력 요청이 발생

• 무작위로 요청을 처리하면 성능이 나빠질 수 있음

선입선출 (First-in, first-out)

11.5 디스크 스케줄링 디스크 스케줄링 정책

• 요청은 순차적으로 처리 됨

• 모든 프로세스에 공평한 정책

• 프로세스의 개수가 많아지면 무작위(random) 스케줄링에 가

까워 짐

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우선순위 (Priority)

• 디스크의 성능의 최적화가 아니라 다른 목적을 만족시키 는 정책

는 정책

• 짧은 배치 작업이 높은 우선순위를 갖는다

• 대화형 작업에게 짧은 응답시간 제공

후입선출 (Last-in, first-out)

• 트랜잭션 처리 시스템에 유용

– 장치의 사용권한은 가장 최근에 접근한 사용자에게 할당되어 디 스크 암의 이동이 적어지게 됨

과거의 작업이 선택되지 않는 기아 현상이 발생할 수 있

• 과거의 작업이 선택되지 않는 기아 현상이 발생할 수 있

음

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SSTF(Short Seek Time First)

•

최단 서비스 시간 우선 (Shortest Service Time First) 현재의 위치에서 이 거리가 가장 짧 청을 선택 – 현재의 위치에서 이동거리가 가장 짧은 요청을 선택

SCAN

• 헤드는 한 방향으로만 움직이면서 요청을 처리 함

• 헤드가 그 방향의 마지막 트랙에 도착하면 반대 방향으로 움 직이기 시작함

• 마지막에 도착하면 방향이 바뀜

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C-SCAN (Circular SCAN)

• 한 방향으로만 스캔하도록 고정

• 그 방향의 마지막 트랙에 도착하면 헤드는 반대방향 트랙으로 되돌아 오고 그 지점에서부터 다시 요청 처리 함

N-step-SCAN과 FSCAN

• N-step-SCAN

– 디스크 요청 큐를 길이 N인 서브 큐로 분할 – 한 번에 하나의 서브 큐를 SCAN 방식으로 처리

– 하나의 큐가 처리되는 동안 새로 들어온 요청은 다른 큐에 저장

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디스크 스케줄링 알고리즘의 비교

디스크 스케줄링 알고리즘 특징

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11.6 RAID

• Redundant Array of Independent Disks

• 운영체제의 입장에서는 하나의 논리적인 드라이브이지 만 실제로는 여러 개의 물리 디스크로 이루어진 저장 장 치

치

• 데이터는 배열 내의 물리 디스크에 분산 됨

• 중복된 디스크는 패리티 정보를 저장하는 데 이용

RAID Level의 특징

11.6 RAID

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RAID Level

11.6 RAID

RAID Level (계속)

11.6 RAID

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RAID Level (계속)

11.6 RAID

11.7 디스크 캐시

• 디스크의 섹터를 저장하기 위한 주기억장치 내의 버퍼

• 디스크 섹터의 복사본을 저장 함

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디스크 캐시 교체 전략

11.7 디스크 캐시

• Least Recently Used 교체 전략

– 참조되지 않은 상태로 캐시에 제일 오랫동안 있었던 블록이 교 체 됨

– 캐시는 블록의 스택으로 구성 됨 – 캐시는 블록의 스택으로 구성 됨

– 가장 최근에 참조된 블록이 스택의 top에 있게 됨

– 블록이 참조되거나 캐시로 반입되면 스택의 top에 위치하게 됨 – 블록이 참조되거나 캐시로 반입되면 스택의 top에 위치하게 됨 – 새로운 블록이 반입되면 스택의 bottom 블록이 교체 됨

– 블록이 실제로 주기억장치 내에서 이동되지는 않음y – 블록이 실제로 주기억장치 내에서 이동되지는 않음y – 포인터의 스택 사용

디스크 캐시 교체 전략 (계속)

11.7 디스크 캐시

• Least Frequently Used 교체 전략

– 가장 적게 참조된 블록이 교체된다.

– 각 블록마다 참조 카운터 존재

– 카운터는 각 블록이 접근될 때마다 1씩 증가 – 카운터 값이 가장 적은 블록이 교체된다.

– 어떤 블록은 짧은 시간 동안 여러 번 참조될 수 있기 때문에 카 운터 값이 잘못 해석될 수 있음

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디스크 캐시 교체 전략 (계속)

11.7 디스크 캐시

• 빈도 기반 교체 전략

– LFU의 단점을 보완

디스크 캐시 성능

11.7 디스크 캐시

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디스크 캐시 성능 (계속)

11.7 디스크 캐시

UNIX SVR4 입출력

•

각 장치별로 특수 파일이 연결 됨

됨

•

2 종류의 입출력 지원 – 버퍼 사용버퍼 사용

– 버퍼 미사용

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UNIX 버퍼 캐시의 구성

Linux 입출력

• 엘리베이터 스케줄러 (Elevator scheduler)

– 디스크 입출력 요청을 하나의 큐로 관리 – 큐를 블록 번호에 의해 정렬해 관리

– 각 요청을 만족시키기 위해 한 방향으로만 디스크 접근

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Linux 입출력

• 마감시간 스케줄러 (Deadline scheduler)

– 3개의 큐 사용

• 요청 큐 (Incoming requests)

• 입력 요청을 FIFO 큐의 끝에 저장

• 출력 요청을 FIFO 큐의 끝에 저장 모든 요청은 마감시간을 가지고 있음 – 모든 요청은 마감시간을 가지고 있음

Linux 입출력

• 예상 입출력 스케줄러 (Anticipatory I/O scheduler)

– 입력 요청을 완료한 후에 짧은 시간 동간 기다림

• 입력 요청은 연속적으로 주변 블록을 접근할 가능성이 높으므로 다 른 입출력 요청을 처리하기 전에 주변 블록을 접근하는 입력 요청이 른 입출력 요청을 처리하기 전에 주변 블록을 접근하는 입력 요청이 있는 지 확인

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Windows 입출력

• 기본 입출력 모듈

– 캐시 관리자 (Cache manager) – 파일시스템 관리자 (File system

d i ) drivers)

– 네트워크 드라이버 (Network drivers) 하드웨어 장치 구동기 (H d

– 하드웨어 장치 구동기 (Hardware device drivers)

요 약

• 입출력 장치의 범주

– 인간 가독 장치, 기계 가독 장치, 통신 장치

• 입출력 수행 기법 및 발전, 계층 구조

– Programmed I/O, Interrupt-driven I/O, DMA