보조기억장치와 입출력장치

보조기억장치

대중적으로 활용되고 있는 보조기억장치는 크게 하드 디스크 드라이브(HDD, Hard Disk Drive)와 플래시 메모리 기반 저장장치이다.

• 하드 디스크는 자기적인 방식으로 데이터를 읽고 쓰는 보조기억장치로, 헤드를 통해 플래터에 저장된 데이터에 접근한다.

하드디스크 구조(https://whitesnake1004.tistory.com/273)

• 플래시 메모리는 전기적인 방식으로 데이터를 읽고 쓰는 반도체 기반의 저장장치로, USB 메모리나 SD 카드, SSD(Solid-State Drive)가 모두 플래시 메모리 기반 저장장치이다.

보조기억장치의 역할

1. 전원이 꺼져도 데이터를 안전하게 보관하는 것
2. CPU가 필요로 하는 정보를 조금이라도 빠른 성능으로 메모리에게 전달하는 것

RAID(Redundant Array of Independent Disks, 독립된 디스크의 복수 배열)

데이터의 안전성 혹은 성능을 확보하기 위해 여러 개의 독립적인 보조기억장치를 마치 하나의 보조기억장치처럼 사용하는 기술이다. 하드디스크나 SSD로 RAID를 구성할 수 있다.

• 대용량의 단일 볼륨(=데이터를 저장하는 논리적인 단위)을 사용하는 효과
  - 여러 개의 작은 볼륨으로 나누지 않고, 하나의 큰 볼륨으로 통합해 사용하는 효과
• 디스크 I/O 병렬화로 인한 성능 향상
• 데이터 복제로 인한 안정성 향상

RAID를 구성하는 디스크의 개수가 같아도, RAID의 구성 방식에 따라 성능과 용량이 바뀐다.

RAID를 구성하는 방법은 여러 가지가 존재한다. RAID0, RAID1, RAID2, RAID3, RAID4, RAID5, RAID6, RAID10, RAID50 등이 있으며, RAID 레벨이라고 표현한다.

 

RAID0

데이터를 여러 보조기억장치에 단순하게 나누어 저장하는 구성 방식으로, 스트라이핑이라고 부른다. 저장되는 데이터가 하드 디스크의 개수만큼 나뉘어 저장된다.

- 스트라입(stripe): 분산되어 저장된 데이터

- 스트라이핑(striping): 분산해 저장하는 동작

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608

• RAID0을 구성하기 위해서는 최소 2개의 디스크가 필요하다. → min(N) == 2
• 빠른 입출력 속도가 장점이다. 하나의 대용량 저장장치를 이용했다면 여러 번에 걸쳐서 읽고 써야 했을 데이터를 한 번에, 동시에 읽고 쓸 수 있다. → 단일 디스크의 성능의 N배
• 하지만, 저장된 정보가 안전하지 않다는 단점이 있다. Disk 0에 문제가 생긴다면 Disk1에 저장된 데이터는 불완전한 데이터가 된다. → 안정성은 1/N
• 실제 서버 환경에서는 거의 사용하지 않는다.

RAID1

완전한 복사본을 만들어 저장하는 구성 방식으로, 미러링이라고 부른다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608

• RAID1을 구성하기 위해서는 최소 2개의 디스크가 필요하다. → min(N) == 2
• Read 시에는 전체 디스크에서 읽어오기 때문에 단일 디스크의 N배의 성능이 나온다.
• 복구가 간단하고 안전성이 높다는 장점이 있다.(N-1개의 디스크가 고장나도 데이터 사용이 가능하다.)
  단, 빨리 데이터를 백업해줘야 한다.
• 하지만, RAID1에 어떤 데이터를 쓸 때는 원본과 복사본 두 곳에 모두 써야 하기 때문에, RAID0보다 쓰기 속도가 느려지고, 복사본이 저장된 크기만큼 사용 가능한 용량이 적어진다는 단점이 있다.
• 안정성이 중요한 시스템에서는 사용할 수 있지만, 비용 문제로 거의 사용하지 않는다.

RAID2

현재는 사용하지 않는 레벨로, bit 단위로 스트라이핑하고, 오류 정정을 위해 Hamming code를 사용한다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608#none

• 최소 3개의 디스크로 구성 가능하며, m+1개의 데이터 디스크와 m개의 패리티 디스크로 구성된다. → N == (m+1) + m
• 1개의 디스크 에러 시 복구가 가능하다. 2개 이상의 디스크 에러 시 복구 불가능하다.

RAID3

현재는 사용하지 않는 레벨로, Byte 단위로 스트라이핑하고, 오류 정정을 위해 패리티 디스크를 1개 사용한다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608#none

• 용량 및 성능이 단일 디스크에 비해 (N-1)배 증가한다.
• Byte 단위로 스트라이핑하기 때문에 너무 작게 쪼개져 현재는 사용하지 않는다.
• 최소 3개의 디스크로 구성 가능하다.
• 1개의 디스크 에러 시 복구 가능하다. 2개 이상의 디스크 에러 시 복구 불가능

RAID4

현재는 거의 사용하지 않는 레벨로, Block 단위로 스트라이핑하고, 오류 정정을 위해 패리티 정보를 저장하는 디스크를 따로 두는 구성 방식으로, 패리티는 오류를 검출하는 정보를 뜻한다.

RIAD4를 통해 오류 검출용 장치를 따로 두면 RAID1에 비해 적은 하드 디스크로도 안전하게 데이터를 보관할 수 있다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608

• 용량 및 성능이 단일 디스크 대비 (N-1)배 증가한다.
• 최소 3개의 디스크로 구성하능하다.
• 1개의 디스크 에러 시 복구 가능하다. 2개 이상의 디스크 에러 시 복구 불가능
• 패리티를 저장하는 장치에 병목 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있다. 새로운 데이터가 저장될 때마다 패리티를 저장하는 디스크에도 데이터를 쓰게 되므로, Disk3에도 쓰기 작업을 수행해 병목 지점이 될 수 있다.

RAID5

RAID4의 단점인 병목 현상을 개선시킨 패리티를 분산해 저장하는 구성방식으로, Block 단위로 스트라이핑하고, 오류 정정을 위해 패리티를 1개의 디스크에 저장하는데 매 번 다른 디스크에 저장한다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608

• 용량 및 성능이 단일 디스크 대비 (N-1)배 증가한다.
• 최소 3개의 디스크로 구성 가능하다.
• 1개의 디스크 에러 시 복구가 가능하다. 2개 이상의 디스크 에러 시 복구 불가능
• 사용 빈도가 가장 높은 레벨로, RAID0에서 성능과 용량을 조금 줄이는 대신 안정성을 높인 레벨이다.

RAID6

구성은 기본적으로 RAID5와 같지만, Block 단위로 스트라이핑하고, 서로 다른 2개의 패리티를 두는 구성방식이다. 오류를 검출하고 복구할 수 있는 수단이 2개이다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608

• 용량 및 성능이 단일 디스크 대비 (N-2)배 증가한다.
• 최소 4개의 디스크로 구성 가능하다.
• RAID6는 RAID4와 RAID5에 비해 안전성이 높다. → 2개의 디스크 에러 시 복구 가능하다(3개 이상 에러는 불가능)
• 하지만, 새로운 정보를 저장할 때마다 함께 저장할 패리티가 2개이므로 RAID5에 비해 쓰기 속도가 느리다.
• 더 안정성을 높여야 하는 서버 환경에서 주로 사용한다.

Nested RAID

RAID 레벨을 혼합한 방식으로, RAID0과 RAID1을 혼합한 RAID10과, RAID0과 RAID5를 혼합한 RAID50이 있다.

https://devocean.sk.com/blog/techBoardDetail.do?ID=163608#none

 

 

RAID 레벨마다 각기 다른 장단점이 있기 때문에 어떤 상황에서 최우선 내용에 따라 최적의 RAID 레벨이 달라질 수 있다.

---

입출력 기법

장치 컨트롤러와 장치 드라이버

세상에는 다양한 입출력장치들이 존재하고, 같은 입출력장치여도 제조사마다 규격과 작동 방식이 상이할 수 있다. CPU 입장에서 모든 입출력장치의 작동 방식을 아는 것은 어려운 일이다.

또한, CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만, 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다. CPU와 메모리처럼 전송률이 높은 장치는 1초에도 수 많은 데이터를 주고 받을 수 있지만, 키보드와 마우스와 같이 상대적으로 전송률이 낮은 장치는 같은 시간 동안 데이터를 조금씩만 주고 받을 수 있다.

전송률(transfer rate): 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표

 

따라서 입출력장치는 CPU와 직접 연결되어 정보를 주고받지 않고, 각자의 장치 컨트롤러 하드웨어를 통해 컴퓨터 내부와 연결되어 정보를 주고 받는다.

즉, 장치 컨트롤러는 CPU와 입출력장치 사이의 통신을 중개하는 중개자 역할의 하드웨어이다.

 

장치 컨트롤러 역할

1. CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
   종류가 많아 정보 규격화가 어려웠던 문제는 장치 컨트롤러가 일종의 번역가 역할을 함으로써 해결한다.
2. 오류 검출
   장치 컨트롤러는 자신과 연결된 입출력 장치에 문제가 없는지 오류를 검출한다.
3. 데이터 버퍼링
   버퍼링은 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장해 전송률을 비슷하게 맞추는 방법으로, 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법이다.
   즉, 장치 컨트롤러는 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화한다.

https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800

장치 컨트롤러 내부

장치 컨트롤러는 입출력 버스에 연결된다. 정보를 주고 받는 정보에는 데이터, 상태, 제어 각각 레지스터에 담기게 된다.

https://code-piggy.tistory.com/entry/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9E%A5%EC%B9%98-%EC%BB%A8%ED%8A%B8%EB%A1%A4%EB%9F%AC-%EC%9E%A5%EC%B9%98-%EB%93%9C%EB%9D%BC%EC%9D%B4%EB%B2%84

 

1. 데이터 레지스터
   CPU와 입출력 장치 사이에 주고 받을 데이터가 담기는 레지스터로, 데이터를 임시로 저장하는 버퍼 역할로 RAM을 사용하기도 한다.
2. 상태 레지스터
   상태 정보를 저장하는 레지스터로, 입출력 장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입력 장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보를 저장한다.
3. 제어 레지스터
   입출력 장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보를 저장하는 레지스터이다.

 

장치 드라이버

CPU는 실행하는 프로그램을 통해 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 장치를 작동시킨다. 이 프로그램을 장치 드라이버라고 한다.

장치 드라이버는 장치 컨트롤러의 동작을 알고, 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있도록 하는 프로그램으로, 장치 컨트롤러마다 장치 드라이버 프로그램이 있다.

https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800

• 하드웨어적인 통로인 장치 컨트롤러가 컴퓨터에 연결된 입출력 장치를 효과적으로 제어할 수 있도록 소프트웨어적인 통로를 제공하는 역할을 한다.
• 컴퓨터가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있다.
• 컴퓨터가 장치 드라이버를 인식하지 못한다면 장치 컨트롤러와 정보를 주고받는 방법을 알 수 없으므로 입출력장치를 실행하지 못한다. 

 

입출력 작업을 수행하는 방법으로는 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력이 있다.

프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로 입출력 작업을 수행하는 방법으로, CPU는 '프린트 컨트롤러의 상태 확인해라'와 같은 입출력 명령어를 실행함으로써 장치 컨트롤러와 상호작용한다.

프로그램 입출력 방식은 입출력 명령어의 오퍼랜드(입출력장치 주소를 식별하는 방식)에 따라 고립형 입출력과 메모리 맵 입출력으로 나뉜다.

• 고립형 입출력: 입출력장치에 접근하는 주소와 메모리에 접근하는 주소를 별도의 주소 공간으로 간주하는 방식
  - 입출력장치만을 위한 주소 공간에 접근하려면 별도의 입출력 명령어가 필요하다.
• 메모리 맵 입출력: 입출력장치에 접근하는 주소와 메모리 접근하는 주소 공간을 구분하지 않고, 메모리에 부여된 주소 공간 일부를 입출력장치를 식별하기 위한 주소 공간으로 사용하는 방식

인터럽트 기반 입출력: 다중 인터럽트

CPU는 동시에 다발적으로 발생하는 키보드, 마우스, 모니터, 스피커 인터럽트를 모두 처리해야 한다.

CPU가 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화(0)한 채 인터럽트 처리할 경우, 다른 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않기 떄문에 CPU는 기본적으로 인터럽트 서비스 루틴을 순차적으로 실행한다.

인터럽트 발생 순서대로 처리(https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800)

하지만 우선순위가 더 높은 인터럽트 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트(NMI, Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우, 우선순위가 높은 인터럽트 먼저 처리한다.

흔히 다중 인터럽트를 처리하기 위해서는 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC)라는 하드웨어를 사용한다. PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 있어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤, CPU에게 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 알려주는 장치이다.

우선순위 반영한 인터럽트 동작 방식(https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800)

• PIC에 여러 핀들이 있는데, 각 핀에는 CPU에게 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있도록 약속된 하드웨어가 연결되어 있다.
  ex) 타이머 인터럽트 받아들이는 핀, 키보드 인터럽트 받아들이는 핀 등
• PIC는 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI까지 우선순위를 판별하지 않는다.
• 일반적으로 PIC는 많은 하드웨어 인터럽트를 관리하기 위해 2개 이상의 계층으로 구성된다.

DMA 입출력

CPU가 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동을 주도해야 하며, 이동하는 데이터들도 반드시 CPU를 거친다. 입출력장치와 메모리 사이에 전송되는 모든 데이터가 반드시 CPU를 거쳐야 한다면, CPU의 부담이 커진다.

기존 입출력 동작(https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800)

 

그래서 CPU를 거치지 않고 입출력장치와 메모리가 상호작용할 수 있는 입출력방식인 DMA가 등장했다.

DMA는 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능으로, DMA 입출력을 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.

DMA 컨트롤러는 시스템 버스에 연결되고, 입출력장치들의 장치 컨트롤러들은 입출력 버스라는 입출력장치 컨트롤러의 전용 버스와 연결된다.

DMA 입출력 형태(https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800)

DMA 입출력 과정

1. CPU가 DMA 컨트롤러에게 입출력장치의 주소, 수행할 연산, 연산할 메모리 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령한다.
2. DMA 컨트롤러가 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근해 정보를 읽거나 쓴다.
3. DMA 컨트롤러는 입출력 작업이 끝나면 CPU에게 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.

사이클 스틸링
DMA의 시스템 버스 사용을 의미한다.

버스는 공용 자원이고, 두 장치가 동시에 하나의 버스를 이용할 수 없다. DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 통해 메모리에 직접 접근이 가능하지만, 시스템 버스는 동시에 사용이 불가능하다.
CPU가 시스템 버스 사용할 때는 DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없다.

https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard?cid=329800

 

대표적으로 입출력 버스로는 PCIe(Peripheral Component Interconnect express)가 있다. PCIe는 PCI라는 입출력 버스의 발전된 형태이다.

• PCIe 버전에 따라 최대 속도가 달라질 수 있다.
• PCIe 버스가 여러 레인을 이용해 정보를 주고받을 수 있다.
  레인(lane): PCIe 버스를 통해 정보를 송수신하는 단위로, 선로의 수와 같은 개념이다.
  레인의 수가 2개, 4개, 8개가 되면 한 번에 통신을 할 수 있는 양도 2배, 4배, 8배가 된다.
  - PCIe 4.0 X 4는 4개의 레인을 활용하는 PCIe 4.0을 의미한다.

---

참고 사이트

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다.

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접 | 강민철 - 교보문고

RAID 정리 1. RAID 기본 설명 및 RAID Level (레이드 레벨)

RAID 정리 1. RAID 기본 설명 및 RAID Level (레이드 레벨)

장치 컨트롤러, 장치 드라이버

컴퓨터 구조 - 장치 컨트롤러, 장치 드라이버