[ 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 ] Chapter08. 입출력장치
08-1. 장치 컨트롤러와 장치 드라이버
(1) 장치 컨트롤러
입출력장치는 다음과 같은 이유로 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다롭다.
1. 입출력장치에는 종류가 너무나도 많다.
- 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양하기 때문에, 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기가 어렵다.
2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.
전송률: 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
- 전송률이 낮은 장치는 같은 시간 동안 데이터를 조금씩만 주고받을 수 있기 때문에, 이러한 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치 간의 통신을 어렵게 한다.
입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러(= 입출력 제어기, 입출력 모듈)라는 하드웨어를 통해 연결된다.
장치 컨트롤러는 다음과 같은 역할을 통해 앞선 문제들을 해결한다.
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
버퍼링: 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법. 즉, 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법이다.
장치 컨트롤러 내부는 아래와 같다.
데이터 레지스터: CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터로, 버퍼 역할을 한다.
상태 레지스터: 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장
제어 레지스터: 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장
(2) 장치 드라이버
장치 드라이버(device driver): 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로라면, 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로이다. 컴퓨터가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있다.
※ 장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체는 정확히 말하자면 윈도우, masOS와 같은 운영체제이다. 즉, 운영체제가 장치 들아ㅣ버를 인식하고 실행할 수 있다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있다.
08-2. 다양한 입출력 방법
장치 컨트롤러가 CPU와 정보를 주고받는 방법에는 크게 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력이 있다.
(1) 프로그램 입출력
프로그램 입출력(programmed I/O): 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.
Ex. 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 상황
1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보냄
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인하고, 준비된 상태라면 상태 레지스터에 준비되었다고 표시
3. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인하고, 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.
입출력 작업은 CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다.
CPU가 입출력장치들의 주소(장치 컨트롤러의 레지스터)를 아는 방식에는 크게 메모리 맵 입출력과 고립형 입출력이 있다.
메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O): 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 되기 때문에, 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어가 굳이 다를 필요가 없다.
고립형 입출력(isolated I/O): 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용한다.
(2) 인터럽트 기반 입출력
인터럽트 기반 입출력: 인터럽트를 기반으로 하는 입출력
입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 정확히 말하자면 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생한다.
CPU가 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다.
장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
여러 입출력장치에서 인터럽트가 동시에 발생한 경우에는 우선순위를 고려하여 처리한다.
프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC): 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 알려주는 장치
1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호들을 받아들인다.
2. PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
일반적으로 더 많고 복잡한 장치들의 인터럽트를 관리하기 위해 PIC를 두 개 이상 계층적으로 구성한다.
NMI(Non-Maskable Interrupt): 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 비활성화되어 있는 경우, 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트
※ NMI는 우선 순위가 가장 높기 때문에, PIC가 NMI까지 우선순위를 판별하지는 않는다.
(3) DMA 입출력
프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력 모두 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다.
이러한 방식은 CPU가 입출력장치를 위한 연산 때문에 시간을 뺏기게 만들고, 하드 디스크 백업과 같은 대용량 데이터를 옮길 때는 CPU 부담이 더 커지게 된다.
DMA(Direct Memory Access): CPU를 거치지 않고 메모리와 입출력장치 간의 데이터를 주고받는 입출력 방식
DMA에 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.
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. 이때 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
CPU는 DMA 컨트롤러에게 입출력 작업 명령을 내리고, 인터럽트만 받으면 되기 때문에 작업 부담을 훨씬 줄일 수 있다.
하지만 DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 접근이 가능한데, CPU와 시스템 버스를 동시에 사용할 수 없다.
그래서 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 직접적으로 이용한다.
※ DMA의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링이라고도 부른다.
입출력 버스: DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 연결하는 별도의 버스
장치 컨트롤러들이 시스템 버스가 아닌 입출력 버스로 DMA 컨트롤러에 연결된다면 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러가 서로 데이터를 전송할 때는 시스템 버스를 이용할 필요가 없으므로, 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있다.
입출력 버스에는 PCI 버스, PCI Express(PCIe) 버스 등 여러 종류가 있다.
입출력장치들은 입출력 버스와 연결되는 통로를 통해 시스템 버스를 타고 CPU와 정보를 주고받는다.