[OS] 장치 간 속도 차 개선2 - 인터럽트(interrupt) 방식, 병렬 처리

🏃 01. 인터럽트 interrupt 🏃

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오늘날에는 컴퓨터에는 많은 주변 장치들이 있기 때문에,

CPU가 모든 입출력에 관여하게 된다면 작업 효율이 현저하게 떨어지게된다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 인터럽트 방식이다.

요리사가 주방 보조를 두는 것과 유사하다.

 

[ 얻을 수 있는 이점 ]

CPU의 작업과 저장장치의 데이터 이동을 독립적으로 운영함으로써 효율을 높일 수 있다.

 

[ 동작 과정 ]

1. CPU가 입출력 관리자에게 입출력 명령을 보냄

2. 입출력 관리자는 명령받은 데이터를 메모리에 가져다놓거나 메모리에 있는 데이터를 저장장치로 옮김

3. 데이터 전송이 완료되면 입출력 관리자는 CPU에게 완료신호 (인터럽트)를 보냄

4. 이때 CPU는 입출력 관리자에게 명령을 보내고 다른 일을 하다가 인터럽트를 받으면 하던 일을 중단하고 옮겨진 데이터를 처리한다.

 

[ 직접 메모리 접근 ]

- 명령을 받은 입출력 관리자는 CPU가 요청한 데이터를 메모리에 가져다 놓아야하는데,

메모리는 CPU만 접근 권한을 가진 작업 공간이라 입출력 관리자는 접근이 불가능하다.

따라서 입출력 관리자가 메모리에 접근 할 수 있도록 권한이 필요한데,

이때 이러한 권한을 '직접 메모리 접근 (DMA)' 이라고 한다.

 

직접 메모리 접근을 위한 제어기의 구조를 보면, 직접 메모리 접근 제어기가

시스템 버스와 입출력 버스의 사이에서 양쪽으로 왔다갔다 할 수 있게끔 구성되어있다.

 

[ 메모리 매핑 출력 ]

- 직접 메모리 접근을 사용하면, 메모리에는 입출력 장치가 사용하는 데이터와 CPU가 사용하는 데이터가 섞여있다.

이를 위해 CPU가 사용하는 메모리 공간과 입출력 장치가 사용하는 메모리 공간을 분리하는 방법이 도입되었다.

 

이렇게 메모리의 일정 공간을 입출력에 할당하는 기법을 '메모리 매핑 입출력 (Memory mapped I/O) '이라고 한다.

 

[ 사이클 훔치기 ]

CPU와 직접 메모리 접근이 동시에 메모리에 접근하려고 할 때, CPU의 작업속도가 입출력 장치의 속도보다 빠르기 때문에 CPU가 메모리 사용 권한을 양보하게 된다.

이때 CPU 입장에서는 직접 메모리 접근이 사이클(순서)을 훔쳐간 것이므로 사이클 훔치기라고 일컫는다. 

 

[ 추가적으로 ]

- CPU는 입출력 관리자에게 여러개의 일을 동시에 시킬 수 있는데, 이때마다 인터럽트를 여러번 보내는 것은 비효율적이므로 인터럽트 vector를 사용한다.

- 인터럽트는 다양한 종류의 인터럽트가 있다 ( 메모리 영역 넘었을 때..등)

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🏃 02. 병렬처리 🏃

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[ 서론 ]

CPU의 성능을 향상 시키는 방법에는 여러가지가 있다.

CPU의 클록을 높이거나, 캐시의 크기를 늘리거나..

하지만 이런 것들은 현재 기술로썬 발열문제와 비용문제가 야기된다.

 

따라서 현재는, CPU 성능을 향상 시키기위해

#1. CPU의 핵심 기능을 가진 코어를 여러개 만들거나

#2. 동시에 실행가능한 명령의 개수를 늘리는 방법을 사용한다.

 

[ 개념 ]

- 동시에 여러개의 명령을 처리하여 작업의 능률을 올리는 방식을 말한다.

- 여러개의 명령을 동시에 처리하는 '병렬처리'는 코어가 여러개인 CPU는 물론이고

코어가 하나인 CPU에서도 작동 가능하다.

(ex. 노트북의 듀얼코어, 쿼드코어란 용어가 바로 CPU의 주요 기능을 담당하는 코어가 1개가 아니라 2,4개라는 뜻이다)

 

[ 병렬처리시 고려사항 ]

1. 상호 의존성이 없어야한다.

- 앞의 일이 뒤에 일에 영향을 미치지 않아야한다,

 

2. 각 단계의 시간을 일정하게 맞춰야 병렬처리가 원만하게 이루어진다.

- 각 단계의 시간이 둘쑥날쑥이라면,

앞의 작업이 먼저 끝나더라도 가장 긴 시간이 걸리는 단계에서 '병목 현상'이 발생한다.

- 즉, 진행이 전반적으로 밀려서 전체 작업 시간이 늘어난다.

 

3. 전체 작업 시간을 몇 단계로 나눌지 잘 따져보아야한다.

- 작업을 너무 많은 단계로 나누면,

각 단계마다 작업을 이동하고 새로운 작업을 불러오는데 시간이 너무 많이 걸려서 오히려 성능이 떨어진다.

- 이러한 오버헤드를 고려하여 보통 깊이를 10~20정도로 한다고한다.

 

[ 병렬처리 기법 ] 

01. 파이프라인 기법

- 한 주방에서 여러개의 볶음밥을 동시에 만드는 것

= 하나의 코어에 여러개의 스레드(thread)를 이용하는 것

= 파이프라인 기법

 

* 스레드(thread) : CPU가 처리할 수 있는 작업의 단위

* 멀티 스레드 : 여러개의 스레드를 이용하는 것

 

02. 슈퍼스칼라 기법

- 한 주방에서 여러개의 조리 시설을 갖추고 여러개의 요리를 동시에 하는 병렬 처리 기법

= 여러개의 코어에서 여러개의 작업을 동시에 처리