Chapter 8. 입출력장치

장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러와 장치 드라이버라는 개념을 통해 다양한 외부 장치가 컴퓨터 내부와 어떻게 연결되고 소통하는지를 알아보겠습니다.

장치 컨트롤러

1. 입출력장치에는 종류가 너무나도 많습니다.
   장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양합니다.
   -> 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵습니다.
2. 일반적으로 CPU와 메모리 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮습니다.
   전송률(Transfer Rate) : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표

 

장치 컨트롤러의 역할

• CPU와 입출력장치 간의 통신중개
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링
  버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받은 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

 

데이터 레지스터

• CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터(버퍼)
• RAM을 사용하기도

상태 레지스터

• 상태 정보 저장
  • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지,
  • 입출력 작업이 완료되었는지,
  • 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보

제어 레지스터

• 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보

 

장치 드라이버

장치 컨드롤러의 동작을 감지하고 제어하는 프로그램

장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로라면,
장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로입니다.

컴퓨터(운영체제)가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있음
반대로, 컴퓨터(운영체제)가 장치 드라이버를 인식하거나 실행할 수 없다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 없음

 

 

 

다양한 입출력 방법

장치 컨트롤러가 CPU와 정보를 주고 받는 방법이 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력 3가지 방법이 있습니다.

프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법(입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용합니다.)
메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 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 표시
   (2) 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기

CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어집니다.

메모리 맵 입출력

메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법

 

고립형 입출력

메모리를 위한 주소 공간과 입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법

메모리 맵 입출력	고립형 입출력
메모리와 입출력장치는 같은 주소 공간 사용	메모리와 입출력장치는 분리된 주소 공간 사용
메모리 주소 공간이 축소됨	메모리 주소 공간이 축소되지 않음
메모리와 입출력장치에 같은 명령어 사용가능	입출력 전용 명령어 사용

 

인터럽트 기반 입출력

• (하드웨어) 인터럽트의 개념
  하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생
• 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트
• 인터럽트 요청 신호
• 인터럽트 서비스 루틴

 

동시다발적인 인터럽트

현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 수 없다.
인터럽트 중에서도 더 빨리 처리해야 하는 인터럽트가 있다.(우선 순위가 높은 인터럽트부터)

NMI(Non-Maskable Interrupt) : CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리합니다.

PIC(Programmable Interrupt Controller)

1. 여러 장치 컨트롤러에 연결되어
2. 장치 컨트롤러의 하드웨어 인터럽트의 우선순위를 판단한 뒤
3. CPU에게 지금 처리해야 하는 인터럽트가 무엇인지 판단하는 하드웨어

 

DMA 입출력

프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 공통점?
입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다.

입출력장치의 데이터를 메모리에 저장하는 경우

 

메모리의 데이터를 입출력에 저장하는 경우

 

DMA(Direct Memory Accesss) : CPU를 거치지 않고 입출력장치가 메모리에 직접적으로 접근하는 기능

 

DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업을 명령
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에 작업이 끝났음을 알림

DMA 과정에서 시스템 버스를 이용합니다. 그런데, 시스템 버스는 공용 자원이기에 동시 사용이 불가능합니다.
CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음

 

입출력 버스

DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 (불필요하게) 두 번 이용하게 된다고 생각할 수 있습니다.
그래서 입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도 낮추려고 합니다.

그 방법으로 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI express(PCIe) 버스와 입출력 장치를 연결짓는 슬롯
슬롯 -> 입출력 버스 -> 시스템 버스

 

 

 

 

 

Reference
Book<혼자공부하는 컴퓨터구조+운영체제>
IMG (https://www.youtube.com/watch?v=1Pp6PJ1kSqI&list=PLVsNizTWUw7FCS83JhC1vflK8OcLRG0Hl&index=22), (https://www.youtube.com/watch?v=RRgGVu8OCP4&list=PLVsNizTWUw7FCS83JhC1vflK8OcLRG0Hl&index=23)