[CS] 입출력장치

장치 컨트롤러와 장치 드라이버

 

입출력장치 정보 주고받기

입출력 장치는 CPU나 메모리에 비해서 조금 더 다루기가 까다롭다.

 

입출력장치에는 종류가 너무나도 많다.

• 장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양하다.
• 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.

 

일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만
입출력 장치의 데이터 전송률은 낮다.

 

 

전송률: 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표

 

 

장치 컨트롤러

이런 이유로 입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터와 연결된다.

입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는다.

 

역할

• CPU와 입출력장치 간의 통신중개(일종의 번역가 역할 수행)
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링

버퍼링: 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를

버퍼 라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

 

 

 

장치 컨트롤러의 구조

 

장치 컨트롤러는 버스에 연결돼서 정보를 주고받게 된다

 

주고 받는 정보

• 데이터 - 데이터 레지스터
• 상태 - 상태 레지스터
• 제어 - 제어 레지스터

 

데이터 레지스터

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

 

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 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어하는 프로그램

• 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로라면
• 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로

 

컴퓨터가(운영체제) 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면

컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있음

 

반대로 컴퓨터가(운영체제) 장치 드라이버를 인식하거나 실행할 수 없다면

그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 없음

 

 

다양한 입출력 방법

세 가지 입출력 방식

• 프로그램 입출력
• 인터럽트 기반 입출력
• DMA 입출력

 

프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로써 입출력 장치에 연결된 장치 컨트롤러를 제어하는 방법

입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용

 

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 준비완료 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

 

프로그램 입출력 방식: CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다.

 

프로그램 입출력 방식: 메모리 맵 입출력 &  고립형 입출력

 

프로그램 입출력 - 메모리 맵 입출력

메모리에 접근하기 위한 주소 공간과

입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을

하나의 주소 공간으로 간주하는 방법

예시)

• 516번지: 프린터 컨트롤러의 데이터 레지스터
• 517번지: 프린터 컨트롤러의 상태 레지스터
• 518번지: 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터
• 519번지: 하드 디스크 컨트롤러의 상태 레지스터

'517번지를 읽어 들여라' == 프린터 상태 읽기

'518번지에 a를 써라' == 하드 디스크에 a 쓰기

 

메모리 접근 명령어 == 입출력장치 접근 명령어

 

 

프로그램 입출력 -  고립형 입출력

메모리를 위한 주소 공간과

입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법

 

(입출력 읽기 / 쓰기 선을 활성화 시키는) 입출력 전용 명령어 사용

 

 

 

인터럽트 기반 입출력

 

 

동시다발적인 인터럽트: 입출력장치가 많을 때를 가정해보자

 

인트럽트 발생 순서대로?

 

플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화 한 채 인터럽트를 처리하는 경우

 

 

 

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

 

우선 순위를 반영한 인터럽트

NMI가 발생한 경우, 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 활성화한 채 입터럽트를 처리하는 경우

 

 

 

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

 

 

하나의 PIC로 처리하진 않고 여러개의 PIC로 처리하는 경우가 많다.

 

 

 

DMA 입출력

프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 공통점?

• 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고
• 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다.

가뜩이나 바쁜 CPU...

하드 디스크 백업과 같이 대용량 데이터를 이동한다면?

 

DMA (Direct Memory Access)

• 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

(이 때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근)

3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에 작업이 끝났음을 알림

• 결과적으로 CPU는 입출력 작업의 시작과 끝만 관여

 

DMA의 시스템 버스 이용 방법

 

DMA 과정에서 시스템 버스를 이용

• 그런데, 시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 동시 사용이 불가능
• CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고,
• DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음

 

그래서 DMA 컨트롤러는

• CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용
• CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용

입출력 버스

시스템 버스를 (불필요하게) 두 번 이용하는 DMA 컨트롤러

입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도 낮추기

 

PCI 버스, PCI express (PCIe) 버스와 입출력 장치를 연결짓는 슬롯

PCI 버스

 

슬롯 => 입출력 버스 => 시스템 버스

 

DMA가 발전해서 입출력 프로세서 (입출력 채널)이 나옴

 

 

 

 

해당 포스팅에 나온 글과 이미지들은 강민철 저자님의 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제의 책과 강의를 참고하여 만들어졌습니다.

책에서 보다 깊게 나오는 내용이 있으므로 한번 구매하고 보셔도 좋을 것 같습니다.

[한빛미디어] 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제