김경록 (Roki Kim)

개발의 가치를 전달하는 개발자
2022.03.01~

Ch 6. Storage and Other I/O Topics

3 분 소요

Intro

Five Components of Computer

  1. Control
  2. Datapath
  3. Memory
  4. Input
    • Keyboard
    • Mouse
  5. Output
    • Display
    • Printer
  • Disk, Network
    • 파일을 읽거나 내보내면 input device
    • 파일을 쓰거나 불러오면 output device

Motivation for I/O Systems

  • 사람과 컴퓨터가 상호작용하는 방법
  • 컴퓨터에게 Long-term memory 제공
  • 로봇, 드론, 무인자동차

I/O Device

  • 특징
    • Behaviour : 무슨 일
      • input
      • output
      • storage
    • Partner : 누구와 작용
      • human
      • machine
    • Data rate : 얼마나 빠른지
      • bytes/sec
      • transfers/sec
      • partner가 사람인 device가 machine보다 더 느림
  • I/O bus connections
    • processor, memory와 I/O devices를 가장 간단하게 연결해주는 System

BUS

  • CPU, memory, I/O controllers 간의 interconnections 필요
  • Bus
    • shared communication channel
    • Parallel set of wires for data and synchronization of data transfer
    • 병목현상 발생 가능
  • Performance 영향
    • wire length
    • number of connections
  • 더 빠른 connections 대안 : networks
    • Bus말고 다른 topology를 이용해서 더 빠르게 Communication

Bus Types

  • Processor-Memory buses
    • Short, high speed
    • 디자인은 메모리 구성과 일치
  • I/O buses
    • Longer
    • multiple connections - slow
    • bridge를 통해 processor-memory bus와 연결

Advantages of Buses

  • Versatility
    • 쉽게 device 추가
    • 같은 bus standard를 사용하는 computer system끼리 이동 가능
  • Low Cost
    • wires set is shared

Disadvantage of Buses

  • communication bottleneck
    • bus의 bandwidth은 최대 I/O throughput을 제한
  • 최대 bus 속도 제한 영향 요소
    • bus length
    • device 갯수
    • device의 차이
      • latencies
      • data transfer rates

Bus Basics

Bus

  • Control Lines
    • Signal requests
    • anknowledgments
    • data lines에 있는 정보의 type 표시
  • Data Lines
    • Data
    • Address
    • Complex commands

Bus Transaction

  • A sequence of Bus Operations (Request, Response)
  • single request에서 시작
  • Two parts
    • Sending Address
    • Receiving or Sending Data

Synchronous vs Asynchronous Bus

  • Synchronous Bus
    • control lines에 clock 포함
      • acknowledgment 필요 없음
    • a fixed protocol for communication that is relative to the clock
    • 장점: run very fast
    • 단점: 모든 device가 같은 clock rate, fast 한계(clock skew)
  • Asynchronous Bus
    • not clocked
    • 다양한 장치 수용
    • clock skew 걱정없이 길게 할 수 있음
    • handshaking protocol
      • request, acknowledgment 필요
        1. ‘ReadReq’ (I/O -> Mem) : I/O sends address
        2. Mem acknowledges ‘ReadReq’ / I/O releases ‘ReadReq’, ‘data(address)’
        3. Mem drops ‘Ack’
        4. Mem sends ‘data’, ‘DataRdy’ : 데이터 준비
        5. I/O acknowledge ‘data’, ‘DataRdy’
        6. Mem releases ‘data’, ‘DataRdy’
        7. I/O drops ‘Ack’

I/O Management

  • Issues
    • 사용자 I/O 요청이 장치 명령으로 변환되어 장치로 전달되는 방법
      • Memory Mapped I/O vs Special I/O Instructions
      • Polling vs Interrupt
    • 메모리에서 데이터 전송 방법
      • DMA (Direct Memory Access)

Instruction Set Architecture for I/O

I/O Device Notifying the OS

  • OS가 알 필요가 있을 때
    • I/O device가 operation을 끝냈을 때
    • 에러가 발생했을 때
  • Polling
    • I/O Device의 변화를 주기적으로 확인
    • I/O Device는 status register에 정보 입력
      • Control Register : read/write할 준비가 되었는지
        • 0=>1 : ready to read/write (Control register)
      • Data Register : data를 포함
        • 1=>0 : load(input) or store(output) (Data register)
    • OS는 주기적으로 status register를 확인
    • 장점: Simple, processor가 모두 control and work
    • 단점: 많은 CPU 시간 낭비 : spin-waiting => Exception mechanism
  • I/O Interrupt
    • I/O Device에 어떤 변화가 일어나면 I/O Device가 CPU에게 알림
    • I/O device가 operation을 끝냈을 때, attention(error)이 필요할 때
      1. I/O interrupt
      2. Save PC
      3. Jump to interrupt service routine
      4. Perform transfer
    • 장점: 사용자 프로그램 진행은 실제 전송 중에만 중단됨
    • 단점: special hardware 필요
      • interrupt 발생 (I/O device)
      • interrupt 감지 (processor)
      • interrupt 이후 재개할 적절한 state 저장 (processor)
  • Exception
    • CPU 내에서 발생
    • undefined opcode, overflow, syscall…
  • Interrupt
    • 외부 I/O controller로부터 발생
  • Interrupt (including exception)
    • 특별한 주의가 필요
    • control 이동: 현재 실행중인 프로그램 -> interrupt service routine
      • CPU가 효과적으로 조작하기 위해
      • 에러 발생 시
    • 처리과정
      1. 실행중인 과정을 벗어나고 PC와 같은 CPU의 상태를 저장
      2. 특정 interrupt에 해당하는 조치 처리
      3. CPU의 상태를 재저장, 실행중인 프로그램을 복귀
    • Interrupt is like an exception
      • instruction execution과 동기화되지 않음
      • instructions 사이에 handler 호출 가능
      • Cause information은 종종 interrupting device 식별
  • Handling Exceptions
    • System Control Coprocessor (CP0)에 의해 운영(MIPS)
    • 중단된 instruction의 PC 저장
      • Exception Program Counter(EPC) (MIPS)
    • 무슨 문제인지 저장
      • Cause register (MIPS)
      • 0: undefined opcode
      • 1: overflow

DMA

  • 메모리에서 많은 양의 데이터를 옮겨야 할 때 interrupt을 자주 걸게 됨 -> CPU가 자기 하던 일을 못함
  • Direct Memory Access (DMA)
    • CPU 밖에 위치
    • CPU 개입 없이 메모리로 데이터 블록을 전송
      • 모두 전송 후에 CPU에 interrupt
    • 하드 디스크와 같은 High Bandwidth I/O 장치의 블록 전송에 적합

카테고리:

업데이트:

참고