Chapter12 입출력 시스템 & 디스크 관리

Chapter12 입출력 시스템 & 디스크 관리

1. I/O System (HW)

 

2. I/O Mechanisms

2.1 Processor controlled memory access

• Polling
  • Processor가 주기적으로 I/O 장치의 상태 확인
  • 장점
    • 간단함
    • I/O 장치의 속도가 빠르고, 데이터 전송이 잦으면 빠름
  • 단점
    • 프로세서의 부담이 큼
• Interrupt
  • I/O 장치가 작업을 완료한 후, 자신의 상태를 프로세서에게 전달
  • 장점
    • low overhead
    • 뷸규칙한 요청 처리에 적합
  • 단점
    • Interrupt handling overhead 존재

 

2.2 Direct Memory Access(DMA)

• I/O 장치와 Memory 사이의 데이터 전송을 프로세서 개입 없이 수행
  • I/O 장치와 프로세서 사이에 DMA 제어기를 두어서 수행
• 프로세서는 데이터 전송의 시작/종료 만 관여

• 

  1. 프로세서가 DMA 제어기에 명령을 보냄
  2. DMA 제어기가 디스크 제어기에 데이터를 메인 메모리에 전송하라고 명령
  3. 디스크 제어기가 메인 메모리에 데이터 전송
  4. 데이터 전송을 완료하면 디스크 제어기가 DMA 제어기에게 완료 메세지 전송
  5. DMA 제어기가 프로세서에게 인터럽트 신호를 보냄

3. I/O Services of OS

 

• I/O Scheduling
  • 입출력 요청에 대한 처리 순서 결정
• Error handling
  • 입출력 중 발생하는 오류 처리
• Buffering
  • I/O 장치와 Program 사이에 전송되는 데이터를 Buffer에 임시 저장하여 전송 속도 차이 문제 해결

  • 

• Caching
  • 자주 사용하는 데이터를 미리 복사해 두어서, cache hit시 I/O를 생략 할 수 있음
• Spooling
  • 한 I/O 장치에 여러 program이 요청을 보낼 시, 출력이 섞이지 않도록 하는 기법

4. Disk Scheduling

• Disk access 요청들의 처리 순서를 결정
• Disk system의 성능을 향상
• 평가 기준
  • Throughput
  • Mean response time
  • Predictability

 

4.1 Optimizing seek time

• FCFS(First Come First Service)
  • 요청이 도착한 순서에 따라 처리
  • 장점
    • 간단함
    • starvation x
  • 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↑
    • 평균 응답 시간↓
  • 단점
    • predictability↓
    • Starvation 존재
  • 일괄 처리 시스템에 적합

  • 

• Scan Scheduling
  • 현재 head의 진행 방향에서, head와 가장 가까운 요청 먼저 처리
  • 진행방향을 기준으로 마지막 cylinder 도착 후, 반대 방향으로 진행
  • 장점
    • SSTF의 starvation문제 해결
  • 단점
    • head의 진행 방향 반대쪽 끝의 요청의 응답시간↑

  • 

• C-Scan Scheduling
  • SCAN과 유사
  • Head가 미리 정해진 방향으로만 이동 → 마지막 cylinder 도착 후, 시작 cylinder로 이동 후 재시작
  • Scan대비 균등한 기회 제공

  • 

• Look scheduling
  • elevator algorithm이라고도 불림
  • 현재 진행 방향에 요청이 없으면 방향 전환
  • scan에서의 불필요한 head의 이동을 제거 함

  • 

 

4.2 Optimizing rotational delay

• STLF (Shortest Latency Time First)
  • Fixed head disk 시스템에 사용
  • sector queuing algorithm 사용
    • head 아래 도착한 sector의 queue에 있는 요청을 먼저 처리함

  • 

  • 

  • 만약 moving head disk이면 head가 특정 cylinder에 도착하면, 고정 후 해당 cylinder의 요청을 모두 처리하는 방식으로 사용할 수 있음4.3 SPTF (Shortest Positioning Time First)
  • Positioning time = Seek time + rotational delay
  • Positioning time이 가장 작은 것 부터 처리
  • 장점
    • throughput↑, 응답시간↓
  • 단점
    • starvation문제
  • Eschenbach scheduling
    • disk가 1회전 하는 동안 요청을 처리할 수 있도록 요청을 정렬
      • 만약 다수의 요청이 있는 track이나 sector가 있으면 다음 회전을 할 때 처리 됨

5. RAID Architecture

• Redundant Array of Inexpensive Disks
  • 여러 개의 물리 disk를 하나의 논리 disk로 사용하는 방법
  • 성능 향상을 위해서

5.1 RAID 0

• 논리적인 한 block을 일정한 크기로 나누어 각 disk에 저장하는 방식
• 입출력 부하 균등 분배
• 한 디스크가 망가지면 데이터 손실이 발생

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5.2 RAID 1

• 동일한 데이터를 mirroring disk에 중복 저장
• 최소 2개의 disk로 구성
• 한 disk에 장애가 생겨도 데이터 손실X
• 가용 disk 용량이 전체 disk의 용량의 절반이 됨

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5.3 RAID 3

• RAID 0 + parity disk
• 한 disk에 장애가 발생하면 parity 정보를 이용하여 복구
• Write 시 parity 계산이 필요하므로 overhead가 있음
• 한 disk에 입출력이 몰리면 병목 현상이 발생

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5.4 RAID 4

• RAID 3과 유사한 방법으로 Block 단위로 분산 저장을 함
• 독립된 access
• Write 시 parity 계산이 필요하므로 overhead가 있음
• 한 disk에 입출력이 몰리면 병목 현상이 발생

• 

 

5.5 RAID 5

• RAID 4와 유사
• Parity 정보를 각 disk들에 분산 저장
• 가장 많이 사용하는 방법으로 성능과 신뢰도가 높음

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