08-1. 장치 컨트롤러(device controller)와 장치 드라이버(device driver)
** 입출력장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 까다롭다. 이유는?
- 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. - 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.
▶ 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
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
- CPU --> 하드디스크 컨트롤러(제어 레지스터): 쓰기 명령
- 하드디스크 컨트롤러(상태 레지스터): 준비 완료
- 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
- CPU --입출력 명령--> 장치 컨트롤러
- 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
- PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호를 받아들인다.
- PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤, CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
- CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
- PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다.
- 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
- CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.
- DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
- 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.
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