[컴퓨터구조] 입출력장치

입출력장치

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장치 컨트롤러와 드라이버

CPU - 입출력장치 정보 주고받기

입출력장치는 CPU, 메모리에 비해 다루기 까다롭다.

1. 입출력장치에는 종류가 너무 많다.
  - 장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양하다.
  - 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.

2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.

전송률(transfer rate): 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표

장치 컨트롤러

장치 컨트롤러

위와 같은 이유로 입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터와 연결된다.
입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는다.

ex) 입출력 제어기 (I/O controller), 입출력 모듈(I/O module)

장치 컨트롤러의 역할

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

버퍼링

전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

장치 컨트롤러의 구조

 

상태 레지스터와 제어 레지스터는 하나의 레지스터로 사용되기도 한다. (상태/제어 레지스터)

데이터 레지스터

- CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터 (버퍼)

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 하드웨어적 통로라면, 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로

장치 드라이버가 설치되어 있지 않다면 해당 입출력장치를 사용할 수 없다.

운영체제가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있다. 반대로 운영체제가 장치 드라이버를 인식하거나 실행할 수 없다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 없다.

다양한 입출력 방법

세 가지 입출력 방식: 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력

프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
입출력 명령어로서 장치 컨트롤러와 상호작용

ex 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업

1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 내보낸다.
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인하고, 쓰기 작업을 할 수 있는 상태라면 상태 레지스터에 준비 완료 됐음을 표시한다.
3-1. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인
3-2. 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.

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

그런데 CPU는 장치 컨트롤러의 레지스터를 어떻게 알고 있을까?

메모리 맵 입출력 & 고립형 입출력

 

https://do-rang.tistory.com/76

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
(입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 전용 명령어 사용

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 사용 가능	입출력 전용 명령어 사용

 

인터럽트 기반 입출력

하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생, 요청 신호를 받을 때 봐주면 되어서 조금 더 효율적으로 일할 수 있다. (콜링)

동시다발적인 인터럽트가 일어났을 때는 인터럽트 발생 순서대로 처리하면 될까?

하드웨어 인터럽트에 한해서 가능하지만, 현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 수 없다. 인터럽트 중에서도 우선순위가 높은 인터럽트가 있기 때문이다.

NMI(non-maskable-interupt)가 발생한 경우, 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우이다.

PIC(Programmable Interupt Controller)

 

PIC

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

- 단 NMI 우선순위까지 판단하지는 않는다.
- PIC 여러 개 연결하여 사용한다.

DMA 입출력

프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 공통점은 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다는 것이다. 안그래도 바쁜 CPU가 더 갈려나가는...

DMA (Direct Memory Access)

 

CPU를 거치지 않고 입출력 장치가 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

=> CPU는 입출력작업의 시작과 끝만 관여

* 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우에 메모리에 직접 접근

위 예시의 DMA 과정에서 시스템 버스를 이용
그런데 시스템 버스는 공용 자원이기에 동시 사용이 불가능

CPU가 시스템 버스를 사용할 떄 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 떄는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음

그래서 DMA 컨트롤러는

1. CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스 이용
2. CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용

이를 cycle stealing이라고 한다.

입출력 버스

 

https://yansigit.github.io/blog/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EC%9E%85%EC%B6%9C%EB%A0%A5-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C/

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

장치 컨트롤러가 시스템 버스에 직접 연결되어도 괜찮을까?

시스템 버스를 (불필요하게) 두 번 이용하는 DMA 컨트롤러
입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도 낮추기

더욱 발전한 DMA 기술로, 입출력 프로세서를 탑재한 입출력 장치도 나온다.

 

더 보면 좋을 자료

http://www.jidum.com/jidums/view.do?jidumId=470

https://do-rang.tistory.com/76