[책리뷰] 컴퓨터 밑바닥의 비밀: ch6.2 디스크가 입출력을 처리할 때 CPU가 하는 일은 무엇일까?

이 글은 책 컴퓨터 밑바닥의 비밀 chapter 6.2의 내용을 읽고 요약한 글입니다. 

• 최신 컴퓨터 시스템의 경우, 사실 디스크가 입출력을 처리할 때 CPU개입이 필요하지 않음. 이유는? 아래의 장치 제어기, 직접 메모리 접근, 인터럽트의 관계를 이해해야 함
• 디스크 입출력 요청을 처리하는 동안 운영 체제는 CPU가 다른 작업을 수행하도록 스케쥴링함

상황

• CPU가 스레드 1을 실행하기 시작하고 일정 시간 지난 후 파일 읽기와 같은 디스크 관련 입출력을 요청한다고 가정
• 디스크 입출력은 CPU 속도에 비해 매우 느리기 때문에 입출력 요청의 처리가 완료되기 전까지 스레드 1은 앞으로 나아갈 수 없음
• 쓰레드 1의 실행은 일시 중지 되고 CPU가 준비 완료 상태인 다른 스레드(스레드 2)에 할당됨
• 스레드 2가 실행되고, 스레드 1의 디스크 입출력 요청 처리가 완료되면 CPU는 스레드 1을 이어서 실행

6.2.1 장치 제어기

• 디스크와 같은 입출력 장치는 대체로 기계 부분과 전자 부분으로 나눌 수 있음

기계 부분

출처: https://babytiger.netlify.app/posts/hdd/

• 플래터(Platter): 실질적으로 데이터가 저장되는 곳, 동그란 원판 모양
• 스핀들(Spindle): 플래터를 회전시키는 구성요소
• 헤드(R/W Head): 플래터 위에 미세하게 떠있어 데이터를 읽고 씀
• Actuator Arm:헤드를 원하는 위치로 이동시킴

입출력 요청이 왔을 때 헤드를 통해 데이터를 읽고 쓰는데 데이터가 헤드가 위치한 트랙에 없을 가능성이 있음

• 트랙: 플래터를 동심원으로 나누었을 때 그중 하나의 원
• 이때 헤드가 특정 트랙으로 이동해야 하는데 이 과정을 탐색(seek)이라고 하며 매우 많은 시간이 소모

 

전자 부분

• 전자 부품으로 구성되어 장치 제어기(device controller)라고 함
• 자체적인 프로세서와 펌웨어, 버퍼, 레지스터를 갖추고 있어 CPU가 직접 도와주지 않는 상황에서도 복잡한 작업을 할 수 있음
• 장치드라이버(device driver): 운영체제에 속한 코드인데 반해, 장치 제어기는 장치 드라이버에서 명령을 받아 외부 장치를 제어하는 하드웨어

⇒ 장치 제어기는 운영 체제에 해당하는 장치 드라이버와 외부 장치를 연결하는 다리에 해당

 

6.2.2 CPU가 직접 데이터를 복사해야 할까?

• 디스크에서 자체 버퍼로 데이터를 읽었다면, 이후 CPU는 직접 데이터 전송 명령어를 실행하여 장치 제어기 버퍼에 있는 데이터를 따로 메모리로 복사해야 할까? 그렇지 않음

• CPU 개입이 없는 상황에서 직접 장치와 메모리 사이에 데이터를 전송할 수 있는 작동방식을 직접 메모리 접근(direct memory access, DMA)라고 부름

 

6.2.3 직접 메모리 접근

• CPU가 관여하지 않고, 메모리와 외부 장치 사이에서 데이터를 이동시키는 역할을 하는 것이 직접 메모리 접근
• CPU가 직접 데이터를 복사하지 않지만, 반드시 어떻게 데이터를 복사할지 알려주는 명령어를 DMA에 전달해야 함
• DMA는 bus arbitration, 즉 버스 사용권한을 요청한 후 장치를 작동시킴
• 디스크에서 데이터를 읽을 때 장치 제어기의 버퍼에서 데이터를 읽으면 DMA가 지정된 메모리 주소에 데이터를 쓰는 방식으로 데이터 복사가 완료됨
• DMA가 데이터 전송을 완료하면 인터럽트 작동 방식을 사용하여 CPU에 알려줌

 

6.2.4 전 과정 정리

스레드 1, 2가 있다고 가정

• CPU로 실행되는 스레드 1이 시스템 호출로 입출력 요청을 시작하면, 운영 체제는 스레드 1의 실행을 일시 중지하고 CPU를 스레드 2에 할당 후 실행됨
• 디스크가 동작하여 데이터 준비가 되면, DMA 작동 방식이 직접 장치와 메모리 사이에서 데이터를 전송
• 데이터 전송이 완료되면 인터럽트 작동 방식을 이용하여 CPU에 알리고 CPU는 스레드 2를 중지 후 스레드 1이 다시 실행

⇒ 핵심은 디스크가 입출력 요청을 처리할 때 CPU가 그 자리에서 기다리지 않고 운영 체제의 스케쥴링에 따라 다른 스레드를 실행한다는 것