14. I/O Systems

I/O Hardware

다양한 I/O 장치 존재
공통 개념:
- 포트 (예: Serial port)
- 버스 (daisy chain, shared direct access)
- 컨트롤러 (단독 또는 host adapter 카드에 위치)
I/O 명령어는 컨트롤러를 제어
- 컨트롤러는 데이터 및 제어 신호용 레지스터 보유
프로세서는 다음 방법 중 하나로 장치에 명령/데이터 전달:
- 전용 I/O 명령어를 이용해 I/O 포트 주소 접근
- 메모리 매핑 I/O
  - 장치 제어 레지스터가 프로세스 주소 공간에 매핑됨
  - CPU는 표준 데이터 전송 명령어로 I/O 수행
I/O 포트는 다음 네 개의 레지스터로 구성됨:
- Status register
  - 호스트가 읽을 수 있는 bit 포함 (Busy bit, error bit 등)
- Control register
  - 명령 실행 또는 장치 모드 변경용
- Data-in register
  - 호스트가 장치로부터 데이터를 읽을 때 사용
- Data-out register
  - 호스트가 장치로 데이터를 보낼 때 사용

CPU는 interrupt-request line이라는 선을 통해 인터럽트 감지
- I/O 장치가 트리거
- CPU는 매 명령 후 인터럽트 발생 여부 감지
인터럽트 발생 시:
- 현재 상태 저장 후, 고정된 인터럽트 핸들러 주소로 점프
- 핸들러는 원인 분석, 처리 후 return from interrupt로 복귀
두 종류의 인터럽트 요청 라인:
- Nonmaskable: 치명적 오류 등 마스킹 불가능
- Maskable: CPU에 의해 제어 가능 (일반 I/O 인터럽트 등)
인터럽트 벡터:
- 올바른 핸들러로 분기하게 해줌
예외 처리에도 사용:
- 0으로 나누기, 보호 메모리 접근 등

커널 I/O 구조는 다음으로 구성:
- 하드웨어 레벨의 장치들 (SCSI, 키보드, 마우스 등)
- 각 장치에 해당하는 디바이스 컨트롤러
- 컨트롤러에 대응하는 디바이스 드라이버
- 커널의 I/O 서브시스템이 이들을 관리

Block devices: 디스크 드라이브 포함
- 명령어: read, write, seek
- Raw I/O (예: 데이터베이스 시스템) 또는 파일 시스템 접근
- Memory-mapped file 접근 가능
Character devices: 키보드, 마우스, 시리얼 포트 등
- 명령어: get, put
- 사용자 입력에 적합 (자발적 데이터 생성)
- 출력 장치(프린터, 오디오 등)에도 적절

I/O는 시스템 성능에 큰 영향을 미침
- 디바이스 드라이버, 커널 I/O 코드를 실행하기 위해 CPU에 큰 부하 발생
- 인터럽트에 의한 컨텍스트 스위칭
- 데이터 복사 비용
- 네트워크 트래픽은 특히 부담이 큼
I/O 성능 향상 방법
- 컨텍스트 스위치 수 감소
- 데이터 복사량 최소화
- 대용량 전송 또는 polling 사용으로 인터럽트 수 감소
- DMA(Direct Memory Access) 활용
- CPU, 메모리, 버스, I/O 성능의 균형을 통해 최대 처리량 확보

Operating System is…
a collection of Cheating Schemes.