입출력장치
여기서 언급하는 입출력 장치는 보조기억장치도 포함
CPU - 입출력장치 정보 주고받기의 어려움
1. 입출력장치 종류가 너무나도 많다
- 장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양함
- 하지만, 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화 하기가 어려움
2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터전송률은 높지만, 입출력장치의 데이터 전송률은 낮음
- 전송률(transfer rate) : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
장치 컨트롤러
- = 입출력 제어기(I/O controller), 입출력 모듈(I/O module)
- 전송률의 차이를 조율하기 위해 장치 컨트롤러를 사용함
- 모든 입출력장치는 하나 이상의 장치 컨트롤러와 연결되어 있음
- 하나의 장치컨트롤러도 여러개의 입출력 장치와 연결되어 있음
장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- CPU와 입출력장치 간의 정보를 주고받는 방식을 규격화 하기 어려운 문제를 해결해주는 일종의 번역가 역할
- 오류 검출
- 입출력 장치에 문제가 있진 않은지 검토
- 데이터 버퍼링
- 버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
장치 컨트롤러의 구조
데이터 레지스터
- CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터(버퍼)
- 레지스터 대신에 RAM 하드웨어로 사용하기도 함
상태 레지스터
- 상태 정보 저장
- 입출력 장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지,
- 입출력 작업이 완료되었는지,
- 입출력 장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보
제어 레지스터
- 입출력 장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보
장치 드라이버
- 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어하는 프로그램
- 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로라면,
- 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로
- 장치 드라이버가 설치되어 있지 않다면 입출력장치를 사용할 수 없고,
설치되어 있다면 어떤 회사의 장치든 규격이 어떻든지 간에 해당 장치를 컴퓨터가 인식하고 동작시킬 수 있음 - 예 ) 새로운 프론터를 연결해도, CPU가 장치컨트롤러가 어떻게 동작하는지 모르면 사용할 수 없음.
이때 장치 드라이버가 어떻게 동작시키는 지 CPU에게 알려주는 것
- 새로운 장치를 연결했는데 인식이 안된다면 장치 드라이버의 동작 여부를 먼저 확인해봐야 함
다양한 입출력 방법
세 가지 입출력 방식 : 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력
프로그램 입출력
- 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
- 입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용
- CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다
예시 - 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 과정
메모리에 저장된 정보를 하드디스크에 백업 = 하드 디스크에 새로운 정보 쓰기
1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령 내보내기
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태 확인 → 상태 레지스터에 준비 완료 표시
3-1. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인
3-2. 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기
아직 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 1번부터 반복, 쓰기가 끝났다면 작업 종료
그런데...
CPU는 다양한 장치 컨트롤러의 레지스터 값,
즉 입출력 장치의 주소를 어떻게 알고 쓰는걸까?
프로그램 입출력의 2가지 방식
(CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 알기 위한 방식)
1. 메모리 맵 입출력
2. 고립형 입출력
메모리 맵 입출력 방법
메모리에 접근하기 위한 주소 공간과
입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을
하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
메모리 맵 입출력 방식의 예시
- 각각의 장치 컨트롤러의 레지스터를 번지수로서 정의, 그 번지수를 활용한 명령어를 통해 사용
- 메모리에 접근하는 명령어 == 입출력 장치에 접근하는 명령어
- 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소공간으로써 마치 그냥 동일한 주소공간처럼 간주했기 때문(마치 전체가 다 메모리인 것처럼)
- 메모리를 읽고 쓰는 것과 동일하게 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 쓸 수 있는 방법
고립형 입출력
- 메모리를 위한 주소 공간과
입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법 - (입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 전용 명령어 사용
메모리 맵 입출력과 고립형 입출력
인터럽트 기반 입출력
인터럽트 복습
- (하드웨어) 인터럽트의 개념
: CPU 사이클의 낭비를 막기 위해, 입출력 장치가 일을 할 동안 CPU가 다른 일을 할 수 있도록 하기 위한 일종의 알람 - 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트
: 인터롭트 비트가 활성화되면 인터롭트 가능 / 비활성화 되면 인터롭트 거절 - 인터럽트 요청 신호
: 끼어들어도 되는지 CPU에게 물어보는 신호 - 인터럽트 서비스 루틴
: 인터럽트를 처리하기 위한 특별한 프로그램
하드웨어 인터롭트
- 장치 컨트롤러에 의해 발생
- 입출력 명령이 필요할 때 CPU가 장치 컨트롤러에 입출력 명령을 하고,
컨트롤러가 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내는 방식으로 인터롭트가 진행 - CPU는 보다 효율적으로 CPU 사이클을 관리할 수 있게 됨
(주기적으로 확인할 필요 없이 완료되면 알람이 오니까)
동시다발적인 인터럽트의 처리
순차적으로 인터럽트 처리
- 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 먼저 온 인터럽트를 처리
- 하지만, 현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 순 없음.
우선순위를 반영한 인터럽트
- NMI가 발생한 경우 등
- NMI(Non-Maskable Interrupt) : 하드웨어의 고장과 같이 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트로 막을 수 없는 급한 인터럽트
PIC(Programmable Interrupt Controller)
- 여러 장치 컨트롤러에 연결되어
장치 컨트롤러의 하드웨어 인터럽트의 우선순위를 판단한 뒤
CPU에게 지금 처리해야 하는 인터럽트가 무엇인지 알려주는 하드웨어 - 우선순위를 반영한 인터럽트 처리를 위해 사용되는 하드웨어
- NMI의 우선순위까지 판단하지는 않음 (NMI는 별도의 핀으로 직접 CPU에서 다이렉트 처리)
프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 공통점
입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다
입출력장치의 데이터를 메모리에 저장하는 경우
1. 하드 디스크의 데이터 레지스터에 저장되어 있는 값을 CPU의 레지스터로 가지고 옴(읽기)
2. CPU의 메모리 쓰기 명령어를 통해 레지스터에서 메모리로 이동
메모리의 데이터를 입출력에 저장하는 경우
1. 내보내고자 하는 정보를 메모리로부터 CPU로 읽어옴
2. 이 값을 장치 컨트롤러의 레지스터로 쓰기 신호 보냄
둘 다 반드시 CPU를 거쳐야 함
→ CPU의 부담 증가
→ 이를 해결하기 위해 등장한 기능이 DMA
DMA (Direct Memory Access)
- CPU를 거치지 않고 입출력장치가 메모리에 직접적으로 접근하는 입출력 방식
- CPU는 입출력 작업의 시작과 끝만 관여
- DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요함
DMA의 입출력 과정
1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업을 명령
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
- 이 때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에 작업이 끝났음을 알림
DMA의 시스템 버스 이용 방법
- 시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 동시에 사용이 불가능함
- 예를 들어, CPU가 시스템 버스를 사용하면 DMA 컨트롤러는 사용 못함. 반대도 마찬가지
- 그래서 DMA 컨트롤러는
- CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스 이용
- CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용
- CPU 입장에서는 시스템 버스를 뺏기는 것 같다고 하여 "Cycle stealing" 이라고 하기도 함
입출력 버스
- 장치 컨트롤러가 시스템 버스에 직접 연결됨으로써 DMA를 하는 과정에서 불필요하게 시스템 버스를 두번씩 사용하게 됨. (불필요하게 오랫동안 점유하게 됨)
- 이러한 문제를 방지하기 위해 입출력 버스 사용
- 입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도를 낮출 수 있음
- 입출력 버스는 결과적으로 시스템 버스에 연결 돼서 CPU와 상호작용 하거나 메모리와 상호작용을 하게 됨
입출력 버스의 예
e.g. PCI 버스, PCI express(PCIe) 버스와 입출력 장치를 연결짓는 슬롯
슬롯 → 입출력 버스 → 시스템 버스
DMA 방식은 더욱 발전하여, 입출력 전용 프로세서(= 입출력 채널)가 생기기도 함.
듀얼코어 CPU를 탑재한 프린터 => 입출력 작업 명령어를 실행하는 것도 입출력장치가 하겠단 뜻!
출처 : 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 (저자 강민철)
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