[Operating System] 버퍼, 캐시, 인터럽트

• 이 글은 '쉽게 배우는 운영체제' 책을 참고하여 작성하였습니다.

시스템 버스와 CPU 내부 버스

• 시스템 버스 : 메모리와 주변 장치를 연결하는 버스 Front side Bus
• CPU 내부 버스 : CPU 내부에 있는 장치(Register, Control Unit, ALU) 를 연결하는 버스로 Back Side Bus

따라서 메모리 속도는 시스템 버스 속도와 같고 CPU 속도는 CPU 내부 버스 속도와 같은데, CPU 내부 버스의 속도가 시스템 버스의 속도보다 빠르기 때문에 메모리를 비롯한 주변장치의 속도가 CPU 속도를 따라가지 못한다. 이러한 장치 간의 속도 차이를 개선하고 시스템 작업 속도를 올리기 위한 개발된 기술을 알아야 한다.

버퍼

• 버퍼(Buffer)는 속도에 차이가 있는 두 장치 사이에서 그 차이를 완화하는 역할을 한다.
• 느린 입출력장치에서 데이터를 하나씩 전송하면 작업량에 비해 전송되는 양이 매우 적지만, 임시로 일정량의 데이터를 모아 한꺼번에 전송하면 적은 작업량으로 많은 데이터를 옮길 수 있다.
• 소프트웨어적으로 주로 쓰이는 곳은 동영상 스트리밍
  ex) 네트워크에서 데이터 들어올 때 일정 부분을 버퍼에 넣은 후 실행
  

스풀

• 버퍼와 비슷한 용어로 스풀은 CPU와 입출력장치가 독립적으로 동작하도록 고안된 소프트웨어적인 버퍼
• 대표적인 예로 프린터에 사용되는 스풀러
• 스풀러는 인쇄할 내용을 순차적으로 출력하는 소프트웨어로 출력 명령 내린 프로그램과 독립적으로 동작
  

캐시

캐시는 메모리와 CPU 간의 속도 차이를 완화하기 위해 메모리의 데이터를 미리 가져와 저장해두는 임시 장소이다.
필요한 데이터를 모아 한꺼번에 전달하는 버퍼의 일종으로 CPU가 앞으로 사용할 것으로 예상되는 데이터를 미리 가져다 놓는다. 미리 가져놓는 작업을 Prefetch라고 부른다.

• 캐시는 CPU 안에 있으며 CPU 내부 버스의 속도로 작동한다. 따라서 시스템 버스와의 속도 차이를 완화해준다.
• 캐시는 메모리 내용 중 일부를 미리 가져오고, CPU는 메모리에 접근할 때 캐시를 먼저 방문한다.
• 캐시에 원하는 데이터가 있을 경우를 캐시 히트(cache hit)라고 하며 그 데이터를 사용한다.
• 캐시에 원하는 데이터가 없을 경우를 캐시 미스(cache miss)라고 하며 메모리로 가서 데이터를 찾는다.
• 캐시가 적중되는 비율을 캐시 적중률이라고 하며, 일반적인 컴퓨터의 캐시 적중률은 90%이다.

즉시 쓰기와 지연 쓰기

캐시는 메모리에 있는 데이터를 임시로 가져온 것이기 때문에 캐시에 있는 데이터가 변경되면 메모리에 있는 원래 데이터를 변경해야 한다.

• 즉시 쓰기

  
  
  • 캐시에 있는 데이터가 변경되면 즉시 메모리에 반영하는 방식
  • 메모리와의 빈번한 데이터 전송으로 시스템 성능 느려짐
  • 메모리 최신 값 유지로 인해 급작스러운 정적에도 데이터 손실 위험 없음

• 지연 쓰기

  
  
  • 즉시 메모리에 변경하는 것이 아닌 변경된 내용을 모아서 주기적으로 반영하는 방식 ( copy back)
  • 메모리와의 데이터 전송 횟수가 줄어 시스템 성능 향상
  • 메모리와 캐시된 데이터 사이 불일치 발생

인터럽트

• 폴링 방식 : CPU가 입출력장치의 상태를 주기적으로 검사하여 일정한 조건을 만족할 때 데이터를 처리

  초기의 컴퓨터 시스템에 주변장치가 많이 않아 CPU가 직접 관여해야 하므로 작업 효율이 떨어짐

• 인터럽트 방식 : 오늘날 컴퓨터에는 많은 주변장치가 있어 CPU의 작업과 저장장치의 데이터 이동은 독립적으로 운영

인터럽트 방식의 동작 과정

1. CPU가 입출력 관리자에게 입출력 명령 보낸다.
2. 입출력 관리자는 명령받은 데이터를 메모리 가져다 놓거나 메모리 있는 데이터를 저장장치로 옮긴다.
3. 데이터 전송 완료 시 입출력 관리자는 완료 신호(인터럽트) 를 CPU에 보낸다.

인터럽트 방식에서는 많은 주변장치 중 어떤 것이 작업이 끝났는지를 CPU에 알려주기 위해 인터럽트 번호 사용, 운영체제마다 번호는 다르다.

직접 메모리 접근

• 명령 받은 입출력 관리자는 CPU가 요청한 데이터를 메모리에 가져다 놓아야 하는데 문제 발생
• 메모리는 CPU만 접근 권한 가진 공간이라 입출력 관리자는 접근 불가
• 따라서 입출력 관리자에게 CPU의 허락 없이 메모리에 접근할 수 있는 권한을 직접 메모리 접근(DMA)라고 한다.

• 추가로 궁금한 점이나 수정할 부분 있으면 댓글로 남겨주세요.