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secondary storage

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    valery
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1. Secondary Storage (여기서는 주로 HDD를 다룬다)

  • 정의: 주기억장치(primary memory) 바깥의 저장장치. CPU가 직접 접근 못 함 → 명령어 직접 실행 불가, 데이터 직접 read/write 불가 (반드시 메모리로 올려야 씀)
  • 특성 4가지
    • 크다: 4TB 이상
    • 싸다: 용량당 단가 낮음
    • 영속적: 전원 끊겨도 데이터 유지 (비휘발성)
    • 느리다: 접근에 ms 단위 (메모리 ns와 약 10^6 배 차이)

2. HDD의 구조

HDD-structure

1. Mechanical (느림의 근원 = 물리적으로 움직이는 부품)

  • 회전하는 platter(원판)
  • arm assembly (head가 달린 팔)

2. Electronics

  • disk controller: 요청 처리
  • buffer: 캐시 메모리
  • host interface: 호스트와 연결 (SATA 등)

3. 물리 단위

1. track: 한 platter 면의 동심원 하나

2. sector: track을 쪼갠 최소 read/write 단위

3. cylinder: 여러 면의 같은 반지름 track들을 수직으로 묶은 집합

(arm 한 위치에서 모든 head가 동시에 닿는 track들)

4. platter / surface / spindle

  • platter: 원판 / surface: 원판의 한 면(위·아래) / spindle: platter들을 꽂아 회전시키는 축

3. OS가 HDD를 어떻게 다루는지 (Managing Disks)

  • 전제: 디스크는 지저분한 물리장치(에러·bad block·missed seek) → OS의 일 = 이 난장판을 상위 SW로부터 숨기기

1. 접근 추상화 계층 (위=추상적, 아래=물리적)

  • logical file (파일명, byte#) ← user library (user level)
  • disk logical block (block#) ← filesystem (kernel level)
  • physical disk block (surface/cylinder/sector) ← block layer (kernel level) 예: "a.txt" → block 1234 → S1, C3, S200. App은 "a.txt"만 알면 됨

2. 고수준 인터페이스 (예: SCSI)

  • 옛날: OS가 cylinder/surface/track/sector 전부 지정 → OS가 디스크 파라미터를 다 알아야 했음
  • 요즘: 디스크가 데이터를 논리 블록 배열 [0..N-1]로 노출 → OS는 블록 번호만 던지고, 디스크가 알아서 물리 위치로 매핑 → 물리 파라미터가 OS로부터 은폐됨 (sector 크기 제각각·remapping 등 복잡해진 현대 디스크 대응)

4. Disk Performance 3요소

1. Seek time

arm을 목표 cylinder로 이동. arm이 물리적으로 움직여야 함 — 제일 느림

2. Rotational latency

목표 sector가 head 밑에 올 때까지 회전 대기. rpm에 의존 — 느림

3. Transfer time

sector가 head 밑을 지나며 데이터 전송. 기록 밀도에 의존 — 빠름

→ 셋 중 Seek(arm 이동)이 압도적 병목

※ 만약 SSD라면? arm·회전이 없어 Seek·Rotation = 0 → 이 3요소와 아래 5번 스케줄링이 통째로 무의미해짐

분해해보니 Seek(arm 이동)이 압도적으로 느린 병목임을 발견

5. Seek 병목을 줄이는 방법 (Disk Scheduling)

1. 목적

  • seek가 비싸다 → 요청 들어왔는데 디스크가 바쁘면 대기 요청을 disk queue에 쌓음
  • 큐의 처리 순서를 재배치 → seek 줄이고 disk bandwidth↑

2. 알고리즘

(공통 예제: queue = 98,183,37,122,14,124,65,67 / head 시작 = 53)

1. FCFS: 도착순 그대로. 부하 낮으면 무난, 길어지면 왔다갔다 왕복 → 대기시간 김

2. SSTF: 현재 head에서 가장 가까운 요청 우선. seek 최소·요청률↑

단점: 가운데 블록 편애 → 가장자리 요청 starvation 가능

3. SCAN (엘리베이터): 한 방향 끝까지 처리 후 방향 반전. 대기시간 비균일

4. C-SCAN: 한 방향만 처리, 끝 찍으면 처음으로 점프해 다시 같은 방향

→ 대기시간 균일 (그 방향에 요청 없어도 끝까지 감)

5. LOOK / C-LOOK: SCAN/C-SCAN과 같되 디스크 끝(0·199)이 아니라 "그 방향의 마지막 요청"까지만 이동 → 헛걸음 제거

6. HDD 사용 실전 적용

1. 알고리즘 선택 기준

요즘은 스케줄링 안해주는게 제일좋다

  • SSTF: 흔하고 직관적 → 무난한 기본값
  • 부하 높은 시스템 → SCAN / C-SCAN 유리
  • 기본 알고리즘으로는 SSTF 또는 LOOK이 합리적
  • 성능은 요청 수·종류, 그리고 파일 할당 방식에 의존

2. I/O Scheduler가 해야 하는 일

  • throughput↑: 요청 merge(개수 줄이기) + reorder·sort(seek 줄이기)
  • starvation 방지: deadline 전에 요청 제출
  • 프로세스 간 fairness 보장
  • QoS(quality-of-service) 요구 보장

3. 요즘 disk (Modern Disks)

  • intelligent controller: 작은 CPU + 수십 KB 메모리, 제조사 프로그램 탑재
  • 기능: read-ahead(현재 track 선반입) / caching(자주 쓰는 블록) / command queuing / request reordering(seek·회전 최적화) / retry / bad block·track 식별·remapping
  • → 디스크가 자체 스케줄링 수행. OS의 스케줄링을 무시·재정의 (자기 레이아웃을 OS보다 잘 아니까)
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