[OS / 운영체제] Interrupt-based IO, Main Memory, Storage Structure, Multi Processor System, Clustered System, Purpose of Clustered System

 

Interrupt-based IO

CPU는 두 가지의 상태, 하나는 일반적인 device를 실행하는 상태와 두 번쨰는 Handler를 실행하는 상태이다. IO는 Idle 상태로 아무것도 안하고 transferring은 무언가 수행하는 상태이다. IO가 request를 보내면 CPU는 다른 프로그램 아무거나(스케줄러가 선택한 프로그램) 실행시킨다. IO device가 일을 다 하면 CPU는 interrupt를 받고 Handler로 점프를 하게 된다. Handler를 실행하고 다시 원래 수행하던 것으로 돌아온다. CPU에서 IO device로 Interrupt를 보내기도 한다. (초반 부분) 

 

 

Instruction Execution Cycle

메모리 상에 있는 Instruction sequence를 읽어서 실행하는 것을 말한다. 그 실행된 결과를 다시 메모리에 집어넣는다.

 

 

Main Memory

각 메모리에 숫자가 있는데 주소를 의미한다. 래지스터는 작고 비싸다. CPU 안에 있으므로 엄청나게 빠르다. load와 store 두 개만 메모리가 담당한다. load는 메인 메모리를 래지스터로 옮기는 것을 말하고 store는 래지스터의 값을 메모리로 옮기는 것을 의미한다. 

 

 

Storage Structure

제일 빠르고 비싼 것은 래지스터이다. Cache까지는 CPU안에 있어서 매우 빠르다. 점선은 전원을 끄면 지워지는 가의 차이로 나뉘고 있다. nonvolatile은 SSD, flash memory, NVRAM등이 있다. Optical disk는 CD와 같은 것을 말한다. 

 

 

Size and Speed of Storage

래지스터는 1KB미만이다. 비싸서 많이 못넣는다. cache가 생각보다 CPU에서 차지하는 비중이 크다. 메인 메모리와 래지스터의 속도를 비교해보면 거의 320배 정도 난다. SSD와 메인 메모리의 속도 차이도 많이 난다.

 

 

IO Device Access

Modern 방식에서는 Interrupt를 사용한다. IO Operation이라는 것은 device에서 메모리까지의 데이터 이동을 의미한다. 

 

 

IO Device Access

Interrupt가 없을때. CPU가 IO device한테 요청을 한다.(local buffer까지) 아직 안되었다고 하면 다시 돌아와서 기다린다. CPU는 IO Device의 상태를 계속적으로 모니터링 해야 한다. 

 

 

Interrupt driven IO Cycle

IO controller한테 IO operation을 요청을 하면 CPU는 쳐다볼 필요가 더이상 없다. Interrupt가 있기 때문이다. IO Operation을 종료하면 신호(Interrupt)가 오고 Interrupt Handling을 하게 된다. 다 끝나면 원래의 Task로 돌아와서 하던 일을 다시 하게 된다.

 

 

마우스가 클릭을 하면 Device Controller까지 들어오게 되는데, SSD 나 Hard Disk를 사용한다고 가정해보자. 이의 경우 512Byte 의 경우 확 읽어오게 되는 경우가 존재한다. 그 경우 CPU가 옮겨야 하는데 512 번 옮겨야 한다. 불편해진 경우가 됐다. 물론 IO Device에서 오는 것은 가능하지만 CPU가 퍼서 날라야 하는 경우, 해소 방법이 있어야 한다. 그래서 DMA 라는 것이  CPU가 Device controller에게 부탁을 하고 Device에서 메모리로 직접 전달하게 된다. Local buffer가 메인 메모리까지 이동한다는 것이다.

 

 모든 Device에 대해서 DMA를 쓰면 좋지는 않다. 왜냐하면 구현하는데 비싸고 복잡해진다. 마우스를 따져보면 데이터가 확 오는 것이 아니라 조금씩 오기 때문에 CPU 가 옮기면 되는 것을 DMA를 모두 설치해 버리면 비용 문제가 발생한다. DMA는 Block device에 주로 사용된다.

 

Computer System Architecture

 

Single Processor system

저렴하고, 간단하다?

 

 

Multi Processor System,

하나의 컴퓨터에 CPU가 여러개를 의미한다. CPU의 패키징은 하나지만 명령을 실행할 수 있는 유닛이 여러개 들어가 있는 것이다. 여러 개의 core 가 있어서 여러 개의 명령을 실행할 수 있는 것이다. 오른쪽 사진의 경우 Multi Core Processor System이라고 부르는게 좋다. 컴퓨터에 CPU가 두 대인 것과 컴퓨터가 2대 인것은 무엇이 다를까. Tightly coupled system이면 두 개의 CPU를 가지고 있다고 표현한다. Shared bus가 별도로 있게 되면 컴퓨터가 두 개인 것이다. Clock, 모든 CPU의 명령은 clock에 동기화되어서 실행하게 된다. 어떤 의미로는 심장의 박동과 비슷한 것이다. 

 

 

Multi Processor System,

Symmetric, 대칭적 시스템. 각 프로세서의 역할이 무엇인가가 판단 기준이다.

Assymmetric은 하나가 Master가 되고 나머지는 Slave가 된다. 대표적인 예) 휴대폰은 Multi-Processor 방식으로 돌아간다. 그 관계는 Master Slave 형식으로 돌아간다.

 

 

NUMA System

CPU가 자신의 메모리에 접근하는 속도는 굉장히 빠르다. 그렇다면 CPU3가 메모리2에 접근할 수 있는가? CPU2를 통해서 접근할 수 있다. CPU 입장에서 메모리 Access 속도가 똑같지 않고 다르게 된다. 

 

 

Multi Processor System

장점, 한 번에 여러가지 일을 할 수 있다. 동일 시간에 더 많은 일을 할 수 있는데 그것을 throughput이 높아진다고 표현한다. 병렬 처리를 고려하지 않고 구성하게 되면 single이나 mutie 두 개의 속도 차이가 별로 없어진다. 즉 프로그램 하나가 돌아가는 속도가 빨라지는 것은 아니다. 하나의 프로그램을 4가지 갈래로 나눠서 실행해보면 실제로 4배가 빨라진다. 컴퓨터를 여러 개 사는 것보다 저렴하지만 Single보다는 Performance가 좋다고 정리할 수 있다

 

 

Clustered System

Loosely coupled system, 버스 clock이 연결된 것은 아니다. 이 뜻은 첫 번째로 컴퓨터가 네트워크로 연결되어있다는 것이다. High speed Network로 연결되어있다. 두 번째로 Storage로 연결되어있다. 공유하는 Storage는 Secondary Storage를 의미한다. SAN이라는 것이 있는데, 물리적으로 보면 Disk가 여러개 있는 것이지만 네트워크로 잘 연결하면 하나의 거대한 Storage로 볼 수 있게 된다. Storage area network는 여러 개의 서버와 데이터가 네트워크로 연결되어있다는 것이다. Lock manager라는 것이 필요하다. 파일이 여러개의 저장소에 분산되어있고 부분적으로 lock을 풀어주거나 걸거나 해야하는데 그것을 관리해주는 것을 DLM이라고 부른다. 

 

 

Purpose of Clustered System

이유는 두가지. 하나는 안정성 하나는 속도이다. Assymetric clustering, 1번 서버가 할 때 2번 서버는 아무것도 안한다. 1번 서비스의 상태를 계속 미러링을 한다. 또한 1번 서버를 계속 쳐다보는데 서버가 죽게되면 2번이 백업을 하게 된다. Hot standby model 이라고 부른다. Symmetric, 서비스를 둘 다 접근하도록 만들어준다. 여기서 서로가 서로를 쳐다보게 해준다. Realiability, 하나는 Graceful degradation, 죽은 만큼만 못돌아가고 나머지는 계속 돌고 있도록 만들어준다. 또한 Fault tolerant는 비슷한 개념이긴 하지만, 시스템의 일부가 죽었다고 하더라도 시스템을 유지할 수 있게 하는 성질을 의미한다. 추가적인 부분을 요구한다. 또한 high-performace를 만들기 위해서 여러 개의 컴퓨터를 묶는 방법이 더 쉬울 수 있다. 하지만 빠른 속도로 만들기 위해서는 Applicaiton이 병렬처리가 가능해야 한다. 

 

 

Operation System Structure

CPU에서 프로그램을 실행하다가 IO Operation이 필요하게 되서 Request를 보내서 동작하게 되는데, 그 순간에 CPU가 놀고 있는 그래프를 볼 수 있다. 가만히 놀고 있는데 이것을 해결하고자 한다. 프로그램을 두 개 이상 끌고 가자는 것이다. 그 노는 순간 초록색 프로그램을 돌리게 하는 방식이다. Multiprogramming이라는 것의 모티브이다. 동시에 여러개의 프로그램을 돌리는 이유는 자원을 최대한 활용하기 위함이다. CPU는 Disk를 직접 읽을 수 없다. 프로그램이 무조건 메모리에 올라와있어야 한다. Multiprogramming 은 switching이 자주 이루어지지는 않는다. 이것보다 개선된 방식이 multitasking 방법이다.

 

Timesharing