입출력장치

장치 컨트롤러는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다롭다

1. 입출력장치에는 종류가 다양하다.
   • 키보드, 모니터, USB메모리, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등
2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.
   • 전송률이란 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표.

이와 같은 이유로 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결된다. 또한 장치 컨트롤러는 입출력 제어기, 입출력 모듈 등 다양하게 불린다.

 

장치컨트롤러의 역할

• CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링
  • 버퍼링이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법이다.

장치컨트롤러 내부 구조

이 레지스터들에 담긴 값들은 버스를 타고 CPU나 다른 입출력장치로 전달되기도 하고, 장치 컨트롤러에 연결된 입출력장치로 전달된다.

• 데이터 레지스터
  • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터, 위의 버퍼역할을 한다. 
• 상태 레지스터
  • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류가 없는지 등의 상태정보가 저장된다.
• 제어 레지스터
  • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

장치 드라이버

장치 드라이버란 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램.

 

프로그램 입출력

프로그램 입출력은 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법이다. 즉, CPU가 장치 컨트롤러러의 레지스터 값을 읽고 씀으로 이루어진다.  CPU가 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터를 읽는 방법에는 두 가지가 있다.

 

1. 메모리 맵 입출력 : 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다. 가량 1,024개의 주소를 표현할 수 있는 컴퓨터가 있다면 512개는 메모리 주소, 512개는 장치 컨트롤러의 레지스터를 표현하기 위해 사용한다.
   • CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 된다.
   • 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다.
2. 고립형 입출력 : 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다. 즉, CPU가 메모리 읽기/쓰기 선이 활성화되는 명령어를 실행할 때는 메모리에 접근하고, 입출력장치 읽기/쓰기 선이 활성화되는 명령어를 실행할 때는 장치 컨트롤러에 접근한다.
   • 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어가 다르다.
   • 하지만, 메모리 주소 공간이 축소되지 않는다.

인터럽트 기반 입출력

인터럽트 기반 입출력 : CPU는 장치컨트롤러에 입출력명령을 실행하고, 다른일을 하다가 장치컨트롤러가 CPU에게 인터럽트 요청을 보내고 CPU는 하던일을 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

만약, 우선순위 순서대로 인터럽트 서비스 루틴이 동작한다면, CPU가 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성한 채 인터럽트를 처리한다. 

하지만, 우선순위가 더 높은게 있어서 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되는 경우, NMI가 발생하는 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.

우선순위를 반영하는 다중 인터럽트를 처리하는 방법에는 많은 컴퓨터에서는 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(이하 PIC)라는 하드웨어를 사용한다. 

PIC : 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치다.

 

PIC의 다중 인터럽트 처리 과정

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호를 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.

참고로, 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI까지 우선순위를 판별하지는 않는다.

 

DMA 입출력

프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력에 공통점이 있다면 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다. 하지만 DMA는 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있다.

 

DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.
2. DMA컨트롤러는 CPU대신 장치 컨트롤러와 상호작영하며 입출력 작업을 수행, DMA컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.

하지만,  시스템 버스는 동시 사용이 불가능하다. CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템버스를 사용할 수 없고, DMA가 사용할 때, CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없다. 이러한 DMA의 서비스 이용을 사이클 스틸링이라고 부른다.

 

입출력 버스

입출력 버스는 입출력장치와 컴퓨터 내부를 연결 짓는 통로로, 입출력 작업 과정에서 시스템 버스 사용 횟수를 줄여준다.