입출력 시스템 & 디스크 관리 (I/O system & Disk management)

해당 블로그의 내용은 학교에서 배운 내용을 개인적으로 정리한 내용이므로, 잘못된 부분이 있을 수도 있습니다. 

 

 

개요

• I/O mechanisms
• I/O services of OS
• Disk scheduling
• RAID architecture

I/O system (HW)

 

I/O mechanisms

• Processor controlled memory access (프로그램 제어 메모리 접근)
  • Polling 
  • Interrupt
• DMA, Direct Memory Access

Polling (programmed I/O)

• 프로세서(Processor)가 주기적으로 I/O 장치의 상태 확인
  • 모든 I/O 장치를 순환하며 확인
  • 전송 준비, 전송 상태 등
• 장점
  • 단순함
  • I/O장치가 빠르고, 데이터 전송이 잦을 경우 효율적
• 단점
  • 프로세서의 부담이 큼
    • Polling overhead(I/O device가 느린 경우)

Interrupt

• I/O 장치가 작업을 완료한 후, 자신의 상태를 프로세서에게 전달
  • Interrupt 발생 시, 프로세서는 데이터 전송 수집

DMA, Direct Memory Access

• Processor controlled memory access 의 단점
  • 프로세서가 모든 데이터 전송을 처리해야 함   
  • HIgh overhead
• DIrect Memory Access
  • I/O 장치와 memory 사이의 데이터 전송을 프로세서 개입 없이 수행
  • 프로세서는 데이터 전송의 시작/종료만 관여

 

I/O services of OS

• I/O scheduling 
  • 입출력 요청에 대한 처리 순서 결정
    • 시스템의 전반적 성능 향상
    • Process의 요구에 대한 공평한 처리
  • E.g., disk I/O scheduling
• Error handling
  • 입출력 중 발생하는 오류 처리
  • E.g., disk access fail, network, communication error 등
• I/O device information mangements

Buffering

• I/O 장치와 Program 사이에 전송되는 데이터를 buffer에 임시 저장
• 전송 속도(or 처리 단위) 차이 문제 해결

Caching

• 자주 사용하는 데이터를 고속 디스크에 미리 복사해 둠
  • Cache hit 시 I/O를 생략 할 수 있음

Spooling

• 한 I/O 장치에 여러 프로그램들이 요청을 보낼 시, 출력이 섞이지 않도록 하는 기법
  • 각 프로그램에 대응하는 disk file을 기록 (spooling)
  • Spooling이 완료되면, spool을 한번에 하나씩 I/O 장치로 기록 

 

 

Disk scheduling

• Disk access 요청들의 처리 순서를 결정
• Disk system의 성능을 향상 
• 평가 기준
  • Throughput
    • 단위 시간당 처리량
  • Mean response time
    • 평균 응답 시간
  • Predictability
    • 응답 시간의 예측 가능성
    • 요청이 무기한 연기(starvation)되지 않도록 방지
• Optimizing seek time
  • FCFS
  • SSTF
  • Scan
  • C-Scan
  • Look
• Optimizing rotational delay
  • Sector queueing (SLTF)
• SPTF

FCFS, First Come First Service

• 요청이 도착한 순서에 처리
• 장점
  • 단순
  • 공평한 처리 기법 (Starvation 방지)
• 단점
  • 최적 성능 달성에 대한 고려가 없음
• Disk access 부하가 적은 경우에 적합 

 

SSTF, Shortest Seek Time First

• 현재 head 위치에서 가장 가까운 요청 먼저 처리
• 장점
  • Throughput 향상
  • 평균 응답 시간 짧음
• 단점
  • 예측 가능성 하향
  • Starvation 발생 가능
• 일괄처리 시스템에 적합

Scan scheduling

• 현재 head의 진행 방향에서 head와 가장 가까운 요청 처리
• (진행방향 기준) 마지막 cylinder 도착 후, 반대 방향으로 진행
• 장점
  • SSTF의 Startvation 문제 해결
  • Throughput 및 평균 응답시간 우수
• 단점
  • 진행 방향 반대쪽 끝의 요청들의 응답시간 상승

C-Scan scheduling

• SCAN과 유사
• Head가 미리 정해진 방향으로만 이동
  • 마지막 cylinder 도착 후, 시작 cylinder로 이동 후 재시작
• 장점
  • Scan대비 균등한 기회 제공

 

Look scheduling

• Elevator algorithm
• Scan(C-Scan)에서 현재 진행 방향에 요청이 없으면 방향 전환
  • 마지막 cylinder까지 이동하지 않음
  • Scan(C-Scan)의 실제 구현 방법
• 장점
  • Scan의 불필요한 head 이동 제거

SLTF, Shortest Latency Time First

• Fixed head disk 시스템에 사용
  • 각 Track마다 head를 가진 disk
  • Head의 이동이 없음
• Sector queueing algorithm
  • 각 sector별 queue 유지
  • Head 아래 도착한 sector의 queue에 있는 요청을 먼저 처리함 
• Moving head disk의 경우
• 같은 cylinder에 여러 개의 요청 처리를 위해 사용 가능
  • Head가 특정 cylinder에 도착하면, 고정 후 해당 cylinder의 요청을 모두 처리

SPTF, Shortest Positioning Time First

• Positioning time = Seek time + rotational delay
• Positioning time이 작은 요청 먼저 처리
• 장점
  • Throughput 상승
  • 평균 응답 시간 짧아짐
• 단점
  • 가장 안쪽과 바깥쪽 cylineder의 요청에 대해 starvation 현상 발생 가능 

 

RAID architecture

• Redundant Array of Inexpennsive Disk (RAID)
• 여러 개의 물리 dsik를 하나의 논리 disk로 사용
  • OS support, RAID, controller

RAID 0

• Disk stripping 
  • 논리적인 한 block을 일정한 크기로 나누어 각 disk에 저장
• 모든 disk에 입출력 부하 균등 분배
•  

RAID 1

•  

RAID 3

•  

RAID 4

•  

RAID 5

•