[혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제] 08. 입출력 장치

장치 컨트롤러와 장치 드라이버

* 입출력장치는 보조기억장치도 포함된다고 볼 수 있음

 

입출력 장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다로움

• 입출력장치 종류가 너무 많음
  • 장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양함
  • 즉, 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어려움
• CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮음
  전송률: 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지 나타내는 지표

장치 컨트롤러

위와 같은 이유로 입출력 장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받음

 

장치 컨트롤러 역할

1. CPU와 입출력장치 간의 통신중개
   • 일종의 번역가 역할 수행해 규격화하기 어려운 문제를 완화할 수 있음
2. 오류 검출
   • 장치 컨트롤러에 연결된 입출력 장치에 문제가 있는지 확인
3. 데이터 버퍼링
   • 버퍼링: 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장해 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

데이터 버퍼링(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

장치 컨트롤러의 구조

장치 컨트롤러 구조(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

• 장치 컨트롤러는 입출력 버스에 연결되어 정보를 주고받음 → 데이터 레지스터, 상태 레지스터, 제어 레지스터
  * 상태 레지스터와 제어 레지스터는 하나의 레지스터(상태/제어 레지스터)로 사용되기도 함
• 데이터 레지스터: CPU와 입출력 장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터(버퍼)
  • RAM을 사용하기도 함
• 상태 레지스터: 상태 정보 저장
  • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지
  • 입출력 작업이 완료되었는지
  • 입출력장치에 오류는 없는지
• 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 소프트웨어적 통로임
• 장치 드라이버가 설치되어 있지 않다면 해당 입출력장치를 사용할 수 없음
• 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

장치 드라이버(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

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다양한 입출력 방법

입출력 방식

1. 프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법으로, 입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용함

즉, CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어지는 방식

ex) 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업(=하드 디스크에 새로운 정보 쓰기)

1) CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령 내보냄

제어 레지스터에 쓰기 명령 내보냄(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

2) 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태 확인 후 상태 레지스터에 준비 완료 표시

준비 완료 표시(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

3-1) CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부 확인(폴링)

3-2) 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기

쓰기 작업 실행(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

4) 아직 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 1번부터 반복, 쓰기가 끝났다면 작업 종료

 

❓ CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터들(입출력장치의 주소)을 어떻게 인식하고 알까?

즉, 이런 명령어들은 어떻게 명령어로 표현되고, 어떻게 메모리에 저장될까?

프로그램 입출력 방식에는 크게 2가지 존재(=CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 알기 위한 방법)

1) 메모리 맵 입출력

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

메모리 맵 입출력(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

ex) 아래와 같이 레지스터가 있다고 가정하면, 

• 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

즉, 메모리 접근 명령어 == 입출력장치 접근 명령어

 

2) 고립형 입출력

메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법으로, (입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 전용 명령어 사용

고립형 입출력(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

• 제어 버스에 메모리 읽기/쓰기 전용 선 외에도 입출력장치 읽기/쓰기 전용 선 존재

메모리 읽기/쓰기 전용 선과 입출력장치 읽기/쓰기 전용 선

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

 

2. 인터럽트 기반 입출력

인터럽트
- (하드웨어) 인터럽트: CPU 사이클의 낭비 방지하기 위한 입출력장치가 일을 할 동안에 다른 일을 수행할 수 있도록하는 일종의 알람 역할
- 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트: 인터럽트 비트 활성화 되어있는 경우, 인터럽트 받아들일 수 있음. 반대로 비활성화 되어있는 경우, 인터럽트 받지 않음
- 인터럽트 요청 신호: 끼어들어도 되는지에 대한 여부 확인을 위해 입출력장치가 CPU에게 요청을 신호로써 보내는 것
- 인터럽트 서비스 루틴(ISR): 인터럽트 처리를 위한 특별한 프로그램

 

하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생함

하드웨어 인터럽트(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

• 동시다발적인 인터럽트: 입출력장치가 많을 때, 여러 장치 컨트롤러로부터 인터럽트 요청 들어옴

[동시다발적인 인터럽트가 들어온 경우 처리하는 방법]

1. 인터럽트 발생 순서대로 처리
* 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우

• 크리티컬한 인터럽트가 발생했을 경우 인터럽트 비트가 비활성화 되어도 먼저 처리해야하는 경우 존재
• 현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 수 없음

인터럽트 발생 순서대로 처리(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

2. 우선순위를 반영한 인터럽트

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

우선순위대로 인터럽트 처리(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

• PIC(Programmable Interrupt Controller)를 이용해서 처리함
  • 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 있음
  • 장치 컨트롤러의 하드웨어 인터럽트 우선순위 판단한 후
  • CPU에게 지금 처리해야 하는 인터럽트가 무엇인지 판단하는 하드웨어
  • NMI 우선순위까지 판단하지는 않음

PIC(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

3. DMA 입출력

 

프로그램 입출력과 인터럽트 기반 입출력은 모두

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

ex) 입출력장치의 데이터를 메모리에 저장하는 경우

1. 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터에 있는 값을 CPU의 레지스터로 읽어들임

2. CPU의 레지스터에 있는 값을 메모리 쓰기 명령어를 통해 쓰게됨

즉, 이동되는 데이터가 반드시 CPU를 거침

 

ex) 메모리의 데이터를 입출력에 저장하는 경우

1. 메모리에 있는 값을 CPU 레지스터에 읽어들임

2. CPU 레지스터에 있는 값을 다시 장치 컨트롤러의 레지스터로 씀

 

위와 같이 원래 바쁜 CPU가 하드 디스크 백업과 같이 대용량 데이터를 이동한다면, CPU의 부담이 더 커짐

 

이를 해결하기 위해 등장한 기능이 DMA 입출력임

DMA(Direct Memory Access)는 CPU를 거치지 않고 입출력장치가 메모리에 직접적으로 접근하는 기능

DMA 입출력

• DMA 컨트롤러를 통해 DMA 수행 가능

[DMA 입출력 과정]

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업을 명령

입출력 작업 명령(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행(이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근)

입출력 작업 수행(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

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

입출력 작업 완료(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

즉, CPU는 입출력 작업의 시작과 끝만 관여

 

DMA 과정에서 시스템 버스를 이용하는데, 이때 시스템 버스는 공용 자원이기에 동시 사용이 불가능함!

즉, CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음

 

DMA 컨트롤러는

1. CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스 사용

2. CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용 → 사이클 스틸링(Cycle Stealing)

DMA 컨트롤러 버스 이용 방법(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

* 장치 컨트롤러가 시스템 버스에 직접적으로 연결되면, DMA 과정에서 시스템 버스를 불필요하게 두 번 이용하게 됨

시스템 버스 2번 접근하는 문제점(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)

 

불필요한 시스템 버스 접근 문제를 방지하기 위해 장치 컨트롤러는 입출력 버스에 연결됨. 즉, 입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도 낮춤

입출력 버스(출처: https://www.youtube.com/watch?v=kFWP6sFKyp0&t=21557s)