[컴퓨터구조] 입출력장치

‘혼자 공부하는 컴퓨터구조+운영체제 - 강민철’ 책을 참고하여 작성한 포스트입니다.

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장치 컨트롤러

• 입출력 장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다로운데, 그 이유는 크게 두 가지가 있다.
  1. 입출력장치에 종류가 너무 많다.
  2. 입출력데이터 장치의 데이터 전송률은 일반적으로 CPU와 메모리에 비해 낮다.
     • 전송률(transfer rate)이란 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표이다.
• 그래서 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러(device controller)라는 하드웨어를 통해 연결된다.
• 장치 컨트롤러는 입출력 제어기(I/O controller), 입출력 모듈(I/O module)등으로도 불린다.
• 장치 컨트롤러는 크게 다음 세가지 역할을 한다
  1. CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
  2. 오류 검출
  3. 데이터 버퍼링
     • 버퍼링(buffering)이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼(buffer)라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법이다.
• 장치 컨트롤러의 내부에서 중요한 세 가지는,
  1. 데이터 레지스터(data register)
     • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터이다.
     • 버퍼 역할을 한다.
     • 최근 주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 한다.
  2. 상태 레지스터(status register)
     • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장된다.
  3. 제어 레지스터(control register)
     • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

장치 드라이버

• 장치 드라이버(device driver)란 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다.
• 프로그램이니까 실행 과정에서 메모리에 올라간다.
• 장치 컨트롤러가 입출력 장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로라면, 장치 드라이버는 소프트웨어적 통로다.

장치 컨트롤러가 CPU와 정보를 주고 받는 방법은 크게 세가지 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력 이 있다.

프로그램 입출력(programmed I/O)

• 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법이다,
• CPU는 입출력 명령어를 만나면 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.
• 입출력 작업은 CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다.
• 입출력 명령어에 장치 컨트롤러를 표현하는 방법(?)은 크게 두 가지가 있다.
  • 메모리 맵 입출력, 고립형 입출력 이 있다.

메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)

• 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다.
• 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 되므로,
• 메모리에 접근하는 명령어나 입출력장치에 접근하는 명령어가 굳이 다를 필요가 없어진다.

고립형 맵 입출력(isolated I/O)

• 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다.
• 그래서 메모리 주소 공간이 축소되지 않으며, 입출력 전용 명령어를 따로 사용한다.

인터럽트 기반 입출력

• 하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생한다.
• 인터럽트 기반 입출력(interrupt-driven I/O)는 말 그래도 인터럽트를 기반으로 하는 입출력이다.
• 인터럽트와 비교되는 개념은 폴링(polling)으로, 입출력장치를 주기적으로 확인하는 방식이다.
• CPU가 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화하고 인터럽트를 처리하는 경우 다른 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않음으로써 순차적으로 하드웨어 인터럽트를 처리한다.
• 그러나 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(non-maskable interrupt)가 발생한 경우 CPU는 이렇게 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.
• 많은 컴퓨터는 PIC(programmable interrupt controller)라는 하드웨어를 사용해 우선순위를 반영한 다중 인터럽트를 처리한다.
• PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 있고, 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 처리할 하드웨어 인터럽트를 알려준다.
• 더 자세히 과정을 보자면,
  1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들) 받아들임
  2. 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보냄
  3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보냄
  4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보냄
  5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 파악하고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행함
• 장치가 많은 경우 PIC를 여러개 계층적으로 설치하여 많은 하드웨어 인터럽트를 관리한다.
• PIC는 NMI의 우선순위를 판별하지는 않는다! 최우선이니까! 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트들의 우선순위만 판별함

DMA 입출력

• 프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력은 모두 데이터의 이동을 CPU가 주도하고, CPU를 거친다.
• CPU의 효율을 더 높이기 위해 CPU를 거치지 않고 상호작용이 가능한 입출력 방식인 DMA(direct memory access)가 있다.
• DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러 라는 하드웨어가 필요하다.

DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산, 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 필요한 경우 메모리에 직접 접근에 정보를 읽거나 쓴다
3. 입출력 작업이 끝나면 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.

• CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업 명령을 내리고, 인터럽트만 받으면 되므로 작업 부담이 훨씬 적다.
• DMA 컨트롤러가 메모리에 직접 접근할 때 시스템 버스를 이용하는데, 시스템 버스는 공용 자원이라, CPU랑 경쟁할 수 있다.
• 그래서 DMA 컨트롤러의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링(cycle stealing)이라고도 부른다.

입출력 버스

• DMA는 메모리에 한 번 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 이용한다.
• 한 번은 메모리 혹은 장치 컨트롤러에서 DMA 컨트롤러로 데이터를 가져올 때, 이후 장치 컨트롤러에서 장치 컨트롤러 혹은 메모리로 데이터를 보낼 때
• DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스(input/output bus)라는 별도의 버스에 연결하여 해결한다.
• 입출력 버스에는 PCI(peripheral component interconnect) 버스, PIC Express(PCIe) 버스 등 여러 종류가 있다.

정리

• 입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는다.
• 장치 드라이버는 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다.
• 프로그램 입출력은 프로그램 속 명령어로 입출력 작업을 하는 방식
• 메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 입출력 방식
• 고립형 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 별도로 분리하는 입출력 방식
• 인터럽트 기반 입출력은 인터럽트로써 입출력을 수행하는 방법
• DMA 입출력은 CPU를 거치지 않고 메모리와 입출력장치 간의 데이터를 주고받는 입출력 방식
• 입출력 버스는 입출력장치와 컴퓨터 내부를 연결 짓는 통로로, 입출력 작업 과정에서 시스템 버스 사용 횟수를 줄여준다.