02-5 보조기억장치와 입출력 장치

보조 기억장치

오늘날 보조기억장치는 크게 2가지다.

• 하드 디스크 드라이브
• 플래시 메모리 기반 저장장치

하드디스크

➡ 요약: 플래터가 회전하면 헤드가 데이터를 읽고 쓰고, 스핀들은 이걸 빠르게 돌려줌!

• 스핀들(Spindle) → 플래터를 고속 회전시켜 데이터 접근 속도를 높임.
• 플래터(Platter) → 데이터가 저장되는 디스크(자기디스크)로, 여러 장이 쌓여 있음.
• 헤드(Head) → 플래터 표면에서 데이터를 읽고 쓰는 역할을 함.

---

플래시 메모리

전기적인 방식으로 데이터를 읽고 쓰는 반도체 기반의 저장장치 ( USB 메모리, SD카드,SSD )

얘네 역할은 2가지임

• 전원이 꺼져도 데이터를 안전하게 보관
• CPU가 필요로 하는 정보를 조금이라도 빠른 성능으로 메모리에 전달

→ 얘네(데이터)들을 빠르고 안전하게 다루는 방법?!

RAID다.

---

🔥 RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks)란?

RAID는 여러 개의 디스크를 묶어 속도, 안정성, 용량을 최적화하는 기술이다. (HDD,SSD로 구상 가능)

➡ 데이터를 빠르게 저장하거나, 고장 시 복구할 수 있도록 설계된 다양한 RAID 레벨이 있다.

---

🎯 RAID의 주요 목적

1. 속도 향상 (Performance Boost) → 여러 디스크에서 데이터를 동시에 읽고 쓰기
2. 데이터 보호 (Redundancy) → 디스크 하나가 고장 나도 복구 가능
3. 대용량 스토리지 구성 → 여러 디스크를 하나처럼 사용

---

🚀 주요 RAID 레벨 종류

RAID 레벨 특징 장점 단점

RAID 0 (스트라이핑, Striping)	데이터를 여러 디스크에 나눠 저장	속도 가장 빠름 🚀	디스크 하나라도 고장 나면 데이터 손실 😨
RAID 1 (미러링, Mirroring)	동일한 데이터를 두 개 이상의 디스크에 복사	안정성 최강 💾	용량 비효율적 (디스크 절반만 사용 가능)
RAID 4 (전용 패리티, Dedicated Parity)	데이터를 나눠 저장 + 패리티(오류 복구용 데이터)는 한 디스크에 저장	데이터 복구 가능	패리티 디스크가 병목(bottleneck)이 됨
RAID 5 (패리티 분산, Distributed Parity)	데이터를 나눠 저장 + 패리티를 여러 디스크에 분산	속도+안정성 밸런스 좋음 ⚖️	최소 3개 디스크 필요, 쓰기 성능 다소 낮음
RAID 6 (이중 패리티, Double Parity)	RAID 5보다 더 강력한 보호 (디스크 2개까지 고장 허용)	보안성 최강 🔥	최소 4개 디스크 필요, 속도 다소 낮음
RAID 10 (RAID 1+0, 스트라이핑 + 미러링)	RAID 0 + RAID 1 조합 (빠르고 안전함)	속도+보안 최고 🚀💾	디스크 절반만 사용 가능 (비효율적)

---

🎯 RAID 4 vs RAID 5

항목 RAID 4 RAID 5

패리티 저장 방식	한 개의 전용 패리티 디스크 사용	모든 디스크에 패리티를 분산
속도	읽기 속도 빠름, 쓰기는 병목 발생	읽기·쓰기 균형 좋음
복구 가능성	디스크 1개 고장 시 복구 가능	디스크 1개 고장 시 복구 가능
단점	패리티 디스크가 병목이 됨	패리티 연산이 많아 쓰기 속도 다소 느림
추천 용도	읽기 작업이 많은 환경	속도+보안 밸런스가 필요한 환경

✅ 요약

• RAID 4 → 전용 패리티 디스크가 있어서 쓰기 병목 발생 가능
• RAID 5 → 패리티를 분산시켜 속도와 안정성 균형 좋음

---

💡 어떤 RAID를 써야 할까?

✅ 속도 최우선 → RAID 0

✅ 데이터 안전성 최우선 → RAID 1, RAID 5, RAID 6

✅ 속도+보안 둘 다 → RAID 10

✅ 읽기 성능 위주, 단순한 데이터 보호 → RAID 4

---

🔥 한 줄 요약

• RAID 0 → 빠름, 하지만 고장 나면 끝
• RAID 1 → 백업 강력하지만 용량 비효율
• RAID 4 → 패리티 전용 디스크 사용, 쓰기 병목 가능
• RAID 5 → 패리티 분산, 속도와 안정성 밸런스 좋음
• RAID 6 → 디스크 2개까지 고장 허용 (안정성 최고)
• RAID 10 → 속도+안전성 최상급, 하지만 비효율적

레이드를 혼합할 수도 있다. (Nested RAID)

• RAID0 , RAID1 = RAID10
• RAID0, RAID5 = RAID50

---

🔥 입출력 기법 & 인터럽트 처리 요약

장치 컨트롤러 & 장치 드라이버

• 장치 컨트롤러(Device Controller) → CPU와 입출력장치 간 통신을 담당하는 하드웨어
• 장치 드라이버(Device Driver) → 운영체제(OS)가 장치 컨트롤러와 소통할 수 있도록 돕는 소프트웨어
• 입출력장치는 CPU와 직접 연결되지 않고 컨트롤러를 통해 작동함.
• OS가 기본적으로 제공하는 드라이버가 있지만, 특정 장치는 별도로 설치해야 함.

1.  입출력 기법 3가지

입출력 방식 설명 장점 단점

프로그램 입출력 (Programmed I/O)	CPU가 직접 장치를 지속적으로 확인하면서 데이터 전송	- 구현이 단순하고 하드웨어 요구사항이 적음	- CPU가 계속 바빠서 다른 작업 수행 불가 (비효율적)
인터럽트 기반 입출력 (Interrupt I/O)	입출력 장치가 작업 완료 시 CPU에 인터럽트를 발생시켜 알림	- CPU가 다른 작업을 수행할 수 있어 효율적- CPU의 불필요한 대기 시간 감소	- 인터럽트 발생 시 오버헤드(부하)가 증가할 수 있음
DMA (Direct Memory Access) 입출력	CPU 개입 없이 장치 컨트롤러가 직접 메모리와 데이터 교환	- CPU의 부담 감소- 대용량 데이터 전송에 최적화됨	- DMA 컨트롤러가 필요하여 하드웨어 복잡성 증가

✅ 요약

• Polling → 단순하지만 CPU 낭비 심함 ❌
• Interrupt → 효율적이지만 인터럽트 오버헤드 발생 ⚖️
• DMA → CPU 부담을 줄이고 대용량 데이터 전송에 적합 🚀

➡ 속도와 효율성을 고려하면 일반적으로 DMA 방식이 가장 선호됨! 😆🔥

➡ 정리

• 장치 컨트롤러 = CPU와 장치 연결하는 하드웨어 중개자
• 장치 드라이버 = 컨트롤러와 OS를 연결하는 소프트웨어
• 입출력 방식: Polling(비효율) → Interrupt(효율적) → DMA(고속 최적화)

---

2. 다중 인터럽트 (Multiple Interrupts)

• 여러 개의 인터럽트가 동시에 발생할 때 우선순위를 정해 처리하는 방식
• 처리 방법
  1. 순차 처리 → 발생한 순서대로 인터럽트를 처리
  2. 우선순위 처리 → 더 중요한 인터럽트가 들어오면 먼저 처리 후 기존 작업 재개
• NMI(Non-Maskable Interrupt) → 무조건 처리해야 하는 인터럽트 (예: 하드웨어 오류)

---

3. DMA (Direct Memory Access)

• CPU를 거치지 않고 입출력장치와 메모리 간 데이터를 직접 주고받는 방식
• 작동 과정
  1. CPU가 DMA 컨트롤러에게 입출력 작업 명령
  2. DMA 컨트롤러가 직접 데이터 전송
  3. 완료 후 CPU에 인터럽트 발생 (작업 완료 알림)

✅ 사이클 스틸링 (Cycle Stealing)

• CPU가 메모리 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러가 틈틈이 버스를 사용하여 데이터를 전송

---

4. PIC (Programmable Interrupt Controller)

• 여러 입출력장치에서 발생하는 인터럽트의 우선순위를 관리하는 하드웨어
• 장치마다 IRQ (Interrupt Request) 번호가 있어 특정 장치의 인터럽트를 관리

---

5. PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)

• 입출력 버스(PCI)의 발전된 형태, GPU, SSD, 네트워크 카드 연결 시 사용
• 버전별 속도 차이 (레인당 최대 속도)
  • PCIe 3.0 → 985MB/s
  • PCIe 4.0 → 1.969GB/s
  • PCIe 5.0 → 3.94GB/s
  • PCIe 6.0 → 7.56GB/s
  • PCIe 7.0 → 15.13GB/s

✅ PCIe x1, x4, x8, x16 → 레인 수가 많을수록 속도가 증가

---

🔥 최종 요약

• Polling I/O → CPU가 직접 확인 (비효율적)
• Interrupt I/O → 작업 완료 시 CPU에 알림 (효율적)
• DMA I/O → CPU 없이 장치가 직접 메모리와 데이터 교환 (고속 최적화)
• 다중 인터럽트 → 인터럽트 우선순위 처리
• PIC → 인터럽트 우선순위 관리하는 하드웨어
• PCIe → 최신 고속 입출력 버스 (SSD, GPU, 네트워크 카드 연결)

🔥 속도와 효율성을 고려하면 DMA 방식이 가장 선호됨!