[I/O Devices] I/O Bus, Canonical device, Polling & Interrupt, DMA, MMIO

system architecture

Bus

: data path

 

▶1. Memory bus

: CPU ↔ memory

 

▶2. I/O bus

: CPU ↔ I/O devices

- USB(Universal Serial Bus): univsersal

- SCSI, SATA: hard disk만을 위한 bus. 

- PCIe: 요즘에 device들은 SCSI, SATA 대신 이걸 많이 사용 

canonical device

 

▶interface

OS는 세 register를 read/write함으로써 device의 작동을 컨트롤함. 여기 구조는 device끼리 거의 비슷함 

- status register: device의 현재 상태 

- command register: device가 특정 task를 수행하도록 함 

- data register: 이를 통해 device와 data를 주고받음

 

▶internals

device의 기능에 따라 달라짐  

 

OS & device의 interaction

process가 I/O를 사용하려 할 때, OS가 구현하는 방식

▶polling

: OS는 device가 준비될 때까지 device의 status register를 반복해서 read하며 device를 기다린다.

 

- device를 기다리는 데에 CPU time이 낭비된다.

- device의 수행이 얼마 안 걸리면 -> polling이 낫다.

: device의 수행이 매우 빠른 경우, 이때마다 interrupt가 일어나면 context switch는 아주 expensive하므로 시스템을 매우 느리게 하기 때문이다.

▶interrupts

: I/O를 요청한 프로세스를 sleep시키고 다른 프로세스로 context switch하여 CPU는 다른 task를 하고 있는다. device가 끝나면 interrupt로써 그 프로세스를 깨운다.

 

- CPU와 disk가 적절히 utilize된다.

- device의 수행이 오래걸리면 -> interrupts가 낫다.

DMA(Direct Memory Access): HW support

CPU는 memory에 있는 큰 크기의 데이터를 device로 copy할 때 over-burden되어 시간을 많이 소모한다.

아래는 CPU가 copy를 수행하고, I/O request가 발생해 context switch가 일어나며 device가 일을 하고, 다시 원래의 프로세스가 wake up되는 과정이다.

 

 

위 문제의 해결을 위한 HW의 support로서 DMA가 있다.

이는 단지 copy 작업을 CPU 대신에 헤주는 것이며, 그동안 CPU는 다른 task를 할 수 있다.

DMA는 copy를 완수하고 interrupt를 일으키며, device는 I/O operation을 수행한다. 

OS와 device의 interaction 방식

▶I/O instructions

: OS가 in, out 등의 instruction을 통해 device register와 데이터를 주고받음

▶memory-mapped I/O

: memory에 access하듯이 device에 똑같이 access할 수 있다.

: device register들이 physical address space의 일부를 차지하여,

OS는 memory access를 위한 instruction을 사용해 I/O에도 똑같이 access(: device에 write, device로부터 read)할 수 있다.

 

abstraction: OS가 다양한 device와 interact할 수 있게 함

- device driver: device와의 interaction이 encapsulate된 OS의 일부분.

- device를 쓰고 싶어하는 appliation은 단지 file system만 보면 됨