입출력 제어 시스템의 기능

1. 파일의 디렉토리를 유지

2. 주기억장치와 보조기억장치의 이동 통로(pathway)를 확립

3. CPU와 보조기억 장치 사이의 통신 조정 기능

(속도 차이를 조정, 송/수신자 사이의 데이터 전송 제어)

4. 입/출력으로 사용되는 파일 준비

5. 입/출력 완료 후 파일 관리  

파일 디렉토리

: 파일의 이름, 저장 위치, 파일 크기, 파일 타입을 갖고 있음

파일 디렉토리의 구조: 계층 디렉토리

디렉토리 구조를 이용한 기본 연산

탐색(파일을 찾기 위해 디렉토리 탐색)

 파일 생성(디렉토리에 첨가(트리에 첨가))

 파일 삭제(디렉토리에서 삭제)

 리스트 디렉토리(디렉토리 내용을 표시)

 백업

입출력 장치 제어

– 데이터를 판독/기록하기 위한 작업

1. 요구된 파일의 위치 탐색 (디렉토리 트리에서)
2. 주기억장치와 접근 장치 사이의 통로 설정
3. 입출력 연산 신호를 보냄

– 신호를 받는 장치

1. 장치를 준비
2. 입출력 작업 도중 오류 조치
3. 작업의 성공 여부 전달

입출력 채널: < CPU,메인메모리 – 장치 제어기>의 중개자

1. 제어 명령어(cpu->채널)
   Test(지정된 통로까지 사용 여부 검사)->start-halt
   
2. 인터럽트(채널->cpu)
   입출력 작업 완료 혹은 오류 검출 시 발생

프로그램의 파일 READ 요청 시 작업

1. 프로그램의 read명령을 만나면 파일 관리자(입출력 제어기)에게 인터럽트 발생
2. 파일 관리자가 메인 메모리에 채널 프로그램 구성, I/O 채널 지정
3. 지정 채널은 채널 프로그램을 읽어서 실행
4. 지정된 디스크 제어 장치로 적절한 신호 전달 (디스크 이용해서 데이터 판독해보라는 신호)
5. 디스크 제어기는 신호를 해석해서 요청한 데이터를 판독할 장치를 제어 (디스크 제어기가 보조기억장치 제어)
6. 디스크 드라이브는 경로(pathway)를 따라서 주기억장치의 버퍼 영역으로 이동 (디스크 드라이브가 보조기억장치의 데이터를 pathway를 통해 ram으로 옮김)
7. 채널은 인터럽트를 걸어서 입출력 연산 완료를 알림. 프로그램 수행을 재개하도록 OS에 전송
8. 파일 관리자는 실행을 계속되게 함

Unix에서의 입출력

디스크 파일, 키보드, 콘솔 장치도 파일로 취급

파일 기술자: 파일 세부 정보를 저장한 배열의 인덱스 역할

커널의 I/O시스템이 관리하는 테이블

1. 파일 기술자 테이블 – 프로그램 당 하나
   (각 프로세스가 사용하는 파일을 기록하는 테이블)
   
2. 개방 파일 테이블 – 유닉스 전체에 하나
   (현재 시스템이 사용 중인 개방 파일의 정보 저장)
   
3. 인덱스 노드 테이블
   (파일의 위치,크기,타입,권한,소유자 등 기록)
   
4. 파일 할당 테이블
   (파일이 실제로 저장된 디스크 블록의 리스트 (자기 디스크 001 같은 것))

– 파일 기술자 값이 3인 파일의 레코드 판독 명령

1. 프로그램의 ‘파일 기술자 테이블’에서 ‘개방 파일 테이블’을 이용
(개방 파일 테이블 중 [3번:일반파일]엔트리 검색)

2. ‘개방 파일 테이블’에 inode 테이블 포인터(루틴 포인터)가 있음.
그 포인터로 inode 테이블 엔트리를 확인함 (아래 그림은 ‘파일할당테이블(7)’)

3. ‘파일 할당 테이블’에서 디스크 블록 주소를 확인

4.  데이터 블록을 판독

< 개발 파일 테이블 – 3번 엔트리 내용 >

버퍼 관리

버퍼

데이터를 읽어들이는 주기억장치 내의 일정 구역

버퍼 관리의 목적

CPU와 보조기억장치의 성능과 활용을 최대화

(둘 다 동시다발적으로 일을 하게 만듦)

버퍼 관리자가 하는 일

버퍼공간 할당, 사용하지 않는 버퍼 공간 관리

버퍼 요구량이 할당 가능 공간을 초과 시 -> 우선순위가 낮은(사용도가 낮은) 프로세스에 할당된 버퍼 공간을 회수

메모리 할당 기법

(아래는 버퍼에 16M을 저장하는 방식임)

최초적합: 16MB를 담을 수 있는 공간을 위부터 찾아서 첫 번째 공간에 할당 <빨간 박스1>

최적적합: 16MB보다 크면서 가장 작은 공간에 할당 <빨간 박스2>

순환적합: 왼쪽 그림 화살표(마지막으로 할당된 블록 포인터)에서 시작해서 16MB를 담을 수 있는 공간을 찾아서 할당 <빨간 박스3>

<블록 요청 처리 과정>

– (버퍼에) 블록 테이블에서 요청한 블록이 있는가를 조사

버퍼의 데이터 구조 (가정1)

하나의 레코드 = 하나의 블록 [NON-BLOCKING], 하나의 파일에 하나의 버퍼, 프로그램의 요구에 따라 버퍼가 채워짐

– 예상 버퍼링
프로그램이 필요로 할 데이터를 미리 예측(연속된 블록일 경우 -> 버퍼에 미리 채워 넣음)-> cpu가 버퍼에 꽉 찰 때까지 기다리는 시간을 조금이라도 줄임

– 예상 버퍼링의 채널 프로그램 (가정에 근거함)
< 생산자 루틴과 소비자 루틴이 교대로 수행됨/ 채우자->비우자->…(반복) / flag 0과 1이 반복됨 >


1. 생산자 루틴

<공백이 될 때까지 대기=소비자가 갖다가 써서 비워질 때까지 대기>

2. 소비자 루틴

<공백이면 대기=생산자가 버퍼를 가득 채울 때까지 대기>

버퍼의 데이터 구조 (가정2)

N개의 레코드 = 하나의 블록 [BLOCKING], 하나의 파일에 하나의 버퍼, 프로그램의 요구에 따라 버퍼가 채워짐

매 n+1번째 READ에만 디스크에 접근하여 물리적 판독/기록 (블록1처리하고 다음 블록은 n+1번째 접근함)

1. 생산자 루틴

레코드 카운터는 1로 초기화 (rec_ctr=1)
<버퍼에 블록을 다 채웠고 첫 번째 레코드부터 사용하면 된다.>

2. 소비자 루틴

1번 레코드를 작업 구역으로 가져와서 사용 -> counter 1증가 -> counter가 n일 때까지는 비우는 역할을 하고 n+1일 때는 다 비웠다고 알림 (플래그0)
<카운터가 k면 k번째 레코드를 사용하고 있다는 의미>

– 단순 버퍼 시스템의 단점

한 개의 버퍼에 n개의 레코드를 채우고 비우는 방식

1. n+1번째 READ를 요청할 때마다 CPU는 버퍼가 다 채워질 때까지 대기 상태
(n+1번째 READ가 돼야 새 블록을 접근하잖아 -> 새 블록을 버퍼에 넣고 작업 공간에 넣을 때까지 CPU는 대기해야지!)

2. 버퍼가 채워지는 동안 생산자는 버퍼를 채우기 위해 대기 상태

이중 버퍼 시스템

두 개의 버퍼에 각각 n개의 레코드를 채우고 비우는 방식, 하나를 비우는 동안 나머지 하나를 채움

< 알고리즘 말로 설명 >

이중 버퍼 시스템은 to_fill과 to_empty라는 포인터를 사용한다. to_fill은 ‘현재 채워지고 있거나 다음에 채워야 할 버퍼의 포인터’로써 생산자 프로그램에서 사용한다. to_empty는 ‘현재 비워지고 있거나 다음에 비워져야 할 버퍼의 포인터’로써 소비자 프로그램에서 사용한다.

버퍼의 상태를 나타내는 플래그와 레코드를 가리키는 레코드 카운터도 버퍼 개수만큼 두 개를 가진다.

생산자와 소비자 입장에서 어떻게 버퍼 구조를 사용하는지 예시를 보이겠다.

초기 생산자 입장에서 to_fill은 첫 번째 버퍼를 가리키고 to_fill.flag는 0을 가진다. 버퍼를 채운 다음 flag를 1(다 채움)으로 바꾼다. 이후 두 번째 버퍼를 채워야 되니 to_fill은 다음 버퍼 포인터가 되는 것이다.

초기 소비자 입장에서 to_empty은 첫 번째 버퍼를 가리키고 flag가 0이니 대기한다. 만일 flag가 1이 되면 record n개를 work area로 이동하는 작업을 한다. 레코드 카운터가 (n+1)이 되면 버퍼에 담긴 n개의 레코드를 모두 처리했으니 flag를 0(다 비움)으로 바꾼다. 이후 두 번째 버퍼를 비워야 하니 to_empty는 다음 버퍼 포인터가 된다.

< 알고리즘 >

처음에는 flag는 모두 0 (empty_flag,fill_flag), to_fill은 1번 버퍼 가리킴 -> 버퍼 채움 -> full_flag =1 -> to_fill을 다음 버퍼 가리키게 함 (다음 버퍼 채워야 되니) -> 다음 버퍼의 flag도 0이면 일 진행, 1이면 대기

Full_flag =0 이니까 기다림, to_empty가 버퍼 1이고 채워짐 -> record를 n개 빼는 처리(작업 구역으로 이동) -> record_counter가 n+1이면 다 처리했다는 것이니 full_flag=0 -> to_empty는 다음 버퍼 가리키게 함 (다음 버퍼 빼야 되니) -> 다음 버퍼의 flag도 1이면 일 진행, 0이면 대기

< 이중버퍼시스템의 반복 >

생산자가 버퍼1을 채움
->
소비자가 버퍼1 다 쓰는 동안
생산자는 버퍼2 채우고 있음
->
소비자가 버퍼2 다 쓰는 동안
생산자는 버퍼1 채우고 있음 -> (반복)

단 생산자와 소비자의 일 처리 속도는 다를 수 있다.
(다 찰 때까지 기다리거나 다 비울 때까지 기다려야 됨, 그러나 대기시간을 훨씬 줄일 수 있음)

다중 버퍼 시스템의 장점

1. CPU의 대기 시간을 줄일 수 있다

다중 버퍼 시스템의 단점

1. 생산자나 소비자 루틴의 실행 시간 증가
2. 메인 메모리의 소요량이 증가