[혼자 공부하는 컴퓨터구조] 08. 입출력장치(I/O device)

08-1. 장치 컨트롤러(device controller)와 장치 드라이버(device driver)

** 입출력장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 까다롭다. 이유는?

1. 입출력장치에는 종류가 너무나도 많다.
   --> 키보드, 모니터, USB 메모리, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등 매우 많다. 장치가 이렇게 다양하면 자연스레 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양하다. 따라서 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기가 어렵다.
2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.
   - 전송률(transfer rate): 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지 나타내는 지표
   --> 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치 간의 통신을 어렵게 한다.

--> 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러(device controller)라는 하드웨어를 통해 연결된다.

 

장치 컨트롤러(device controller)

▶ 장치 컨트롤러(device controller)의 역할

• CPU와 입출력 장치 간의 통신 중개: 입출력장치 종류가 많아 정보 규격화가 어려웠던 문제 해결
• 오류 검출: 장치 컨트롤러(device controller)와 연결된 입출력장치에 문제가 없는지 오류를 검출한다.
• 데이터 버퍼링(data buffering): 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼(buffer)라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
  --> 장치 컨트롤러(device controller)는 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 일반적으로 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화한다.

데이터 버퍼링(data buffering)

 

▶ 장치 컨트롤러(device controller)의 내부 구조

• 데이터 레지스터(data register): CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터; 버퍼(buffer) 역할
• 상태 레지스터(status register): 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보를 저장하는 레지스터
• 제어 레지스터(control register): 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장하는 레지스터

 

장치 드라이버(device driver)

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

--> 프로그램이기 때문에 실행 과정에서 메모리에 저장된다.

• 장치 컨트롤러(device controller): 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로
• 장치 드라이버(device driver): 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적 통로

장치 드라이버(device driver), 장치 컨트롤러(device controller)

 

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08-2. 다양한 입출력 방법

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.

▷ 예) 메모리에 저장된 정보를 하드디스크에 백업하는 상황

1. CPU --> 하드디스크 컨트롤러(제어 레지스터): 쓰기 명령
2. 하드디스크 컨트롤러(상태 레지스터): 준비 완료
3. CPU --> 하드디스크 컨트롤러(데이터 레지스터): 저장할 데이터 전송

 

CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터에 접근하는 방법

▶ 메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)

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

• memory-mapped I/O 방식에서 CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 된다. 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다.

 

▶ 고립형 입출력(isolated I/O)

: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법

• 제어 버스 --> 메모리 읽기/쓰기, 입출력장치 읽기/쓰기 선
• isolated I/O 방식에서 CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 (입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 명령어를 사용한다.

 

인터럽트 기반 입출력(interrupt-driven I/O)

▶ 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트

: 장치 컨트롤러에 의해 발생

1. CPU --입출력 명령--> 장치 컨트롤러
2. 장치 컨트롤러 --인터럽트 요청 신호--> CPU: 인터럽트 서비스 루틴 실행

 

▶ 우선순위를 반영하여 다중 인터럽트를 처리하는 방법

: NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우, CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.

• PIC(Programmable Interrupt Controller)
  : 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤, CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지 알려주는 장치

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 주제를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

 

DMA 입출력(Direct Memory Access)

: 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식

• DMA 컨트롤러
  : DMA를 하기 위해 시스템 버스에 연결된 하드웨어

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

** DMA 컨트롤러는 시스템 버스와 동시사용이 불가능하기 때문에, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용한다.

 

▶ 입출력 버스(input/output bus)

: DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러를 연결하기 위해 연결하는 버스

• 장치 컨트롤러들이 시스템 버스가 아닌 입출력 버스로 DMA 컨트롤러에 연결된다면, DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러가 서로 데이터를 전송할 때는 시스템 버스를 이용할 필요가 없기 때문에 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있다.