[컴퓨터 구조] 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 Chapter 8 입출력장치

Chapter 8. 입출력장치

 

 

요약

입출력장치가 컴퓨터와 소통하는 방법을 알 수 있었다.

 

내용 정리

 

08-1. 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

 

 

입출력장치가 다루기 까다로운 이유

 

1. 입출력 장치의 종류가 너무 많다.

• 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.
  • 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등이 모두 달라지게 된다.

 

2. 입출력장치의 데이터 전송률이 CPU, 메모리에 비해 낮다.

• 전송률(transfer rate): 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지 나타내는 지표
• 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치간 통신이 어렵게된다.

 

 

장치 컨트롤러를 통해 위 한계를 극복한다.

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장치 컨트롤러(device controller)

• 입출력장치는 컴퓨터와 직접적으로 연결하지 않고, 장치 컨트롤러라는 하드웨어에 연결한다.
• 장치 컨트롤러가 컴퓨터와 입출력장치 간 매개체가 됨으로써 위 한계들을 극복한다.
• 장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력 장치와 연결되며, 컴퓨터에 여러 장치 컨트롤러가 존재할 수 있다.
• 입출력 제어기(I/O controller), 입출력 모듈(I/O module) 등 다양한 이름으로 불린다.

 

 

 

장치 컨트롤러의 역할

 

1. CPU와 입출력장치 간 통신 중개

• 입출력장치의 정보들을 CPU가 이해할 수 있게 전달한다.

 

2. 오류 검출

• 연결된 입출력장치에 문제가 없는지 오류를 검출한다.

 

3. 데이터 버퍼링

• 버퍼링(buffering): 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이 주고 받는 데이터를 임시 저장 공간인 버퍼(buffer)에 저장해 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
  • 전송률이 낮은 경우, 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내게 된다.
  • 전송률이 높은 경우, 데이터를 많이 받아서 조금씩 내보내게 된다.
• 즉, 장치 컨트롤러는 전송률이 높은 CPU와 전송률이 낮은 입출력장치간 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화한다.

 

 

장치 컨트롤러의 내부 구조

 

1. 데이터 레지스터(data register)

• CPU와 입출력장치 사이 주고받는 데이터가 담기는 레지스터
• 컨트롤러의 데이터 버퍼링 처리에서 데이터 레지스터가 버퍼 역할을 함
• 최근에는 주고 받는 데이터가 많은 입출력장치의 버퍼는 RAM을 대신 사용하기도 함

 

2. 상태 레지스터(status register)

• 입출력장치의 상태 정보를 저장하는 레지스터

 

3.제어 레지스터(control register)

• 입출력장치가 수행할 작업에 대한 제어 정보와 명령을 저장하는 레지스터

 

 

+ 레지스터에 담긴 값들은 버스를 타고 연결된 입출력장치에 전달되거나, CPU나 다른 입출력장치로 전달되기도 한다.

+ 일부 컴퓨터에서는 상태 레지스터와 제어 레지스터를 하나의 레지스터로 사용하는 경우도 있다.

 

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장치 드라이버(device driver)

• 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
• 장치 컨트롤러 동작을 감지하고 제어한다.
• 새로운 장치를 컴퓨터에 연결할 때 장치 드라이버를 설치해야 한다.
• 프로그램이기 때문에 실행할 때 메모리에 적재된다.
• 컴퓨터가 특정 장치의 드라이버를 인식하거나 실행할 수 없으면 해당 장치는 컴퓨터와 정보를 주고받을 수 없다.

 

장치 드라이버의 설치

• 장치 드라이버는 윈도우나 맥 같은 운영체제가 인식하고 실행한다.
• 운영체제에서 기본으로 제공하는 장치 드라이버라면 따로 설치가 필요없다.
• 한편 장치 제작자가 따로 드라이버를 제공하는 경우, 해당 드라이버를 따로 설치해야 장치를 사용할 수 있다.

 

 

 

08-2. 다양한 입출력 방법

 

장치 컨트롤러가 CPU와 정보를 주고 받는 방법

1. 프로그램 입출력
2. 인터럽트 기반 입출력
3. DMA 입출력

 

 

1. 프로그램 입출력

 

프로그램 입출력(programmed I/O)

• 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
• CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하면서 입출력 명령어를 확인 -> CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러를 통해 입출력 작업을 수행함
• 즉, CPU가 직접 디스크 컨트롤러를 이용해 입출력장치를 제어한다. CPU는 장치 컨트롤러 레지스터 값을 읽고쓴다.
• 폴링(polling): CPU가 입출력장치의 상태가 어떤지, 처리할 데이터가 있는지 주기적으로 확인하는 방식
  • CPU가 주기적으로 확인하기 때문에 장치컨트롤러에 의한 입출력장치 제어 방식보다 CPU에 부담이 크다.
• CPU가 모든 장치 컨트롤러와 그 레지스터를 알기 어렵기 때문에 다음 두가지 방식을 이용한다.
  • 메모리 맵 입출력
  • 고립형 입출력

 

메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)

• 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방식
• CPU는 메모리 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터나 똑같이 메모리 주소를 이용해 접근한다.
• 즉, CPU는 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어가 동일하다.

 

 

고립형 입출력(isolated I/O)

• 메모리의 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소공간을 분리하는 방법
• CPU는 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하기 위한 명령어가 서로 다르다.
• 제어 버스에 '메모리 읽기/쓰기' 선 외에 '입출력장치 읽기/쓰기' 선이 따로 있는 것이고, 다른 명령어는 어떤 선을 활성화 시킬지에 대해 결정한다.

 

메모리맵 입출력 vs 고립형 입출력

메모리맵 입출력	고립형 입출력
메모리와 입출력장치는 같은 주소 공간 사용	메모리와 입출력장치는 분리된 주소 공간을 사용
메모리 주소 공간이 축소됨	메모리 주소 공간이 축소되지 않음
메모리와 입출력장치에 같은 명령어를 사용할 수 있음	입출력장치 사용에는 입출력 전용 명령어를 입력할 필요

 

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2. 인터럽트 기반 입출력

 

인터럽트 기반 입출력

• 입출력장치의 작업 시작 / 작업 종료 등 인터럽트 발생을 통해 입출력을 하는 방식
• 이 때 입출력장치에 대한 인터럽트는 장치 컨트롤러에서 발생한다.
• 장치 컨트롤러는 인터럽트 요청 신호를 CPU에 전송하고, CPU는 작업 중이던 일을 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

 

여러 입출력장치에서 인터럽트가 발생한 경우 처리 방법

 

1. 인터럽트 발생 순서대로 인터럽트를 처리

• 단점: 인터럽트 중 더 빨리 처리해야 하는 경우에 반영이 어렵다.

 

2. 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 다중 인터럽트를 처리

• 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC, Programmable Interrupt Controller) 하드웨어를 사용
  • 여러 장치 컨트롤러에 연결돼 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청의 우선순위를 판별
  • CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 전달
  • PIC는 여러 핀들을 가지고 있고, 각 핀은 하드웨어와 연결돼 있어 각 하드웨어를 통제함

 

• PIC 다중 인터럽트 처리 과정
  1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호들을 받아들임
  2. PIC는 인터럽트 우선순위를 판단하고, CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보냄
  3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보냄
  4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보냄
  5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청을 한 하드웨어를 알고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행함

 

• 일반적으로 많은 입출력장치의 인터럽트를 관리하기 위해 두 개 이상의 PIC를 계층적으로 구성한다.

 

• PIC는 가장 높은 우선순위(무시할 수 없는)인 NMI의 우선순위는 판별하지 않는다.
  • NMI(Non-Maskable Interrupt): 인터럽트 비트가 비활성화 되어도 무시할 수 없는 인터럽트
  • 가장 높은 우선순위이기 때문에 판별할 필요가 없다.
  • 즉, PIC는 인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트들의 우선순위만을 조정해준다.

 

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3. DMA 입출력

 

DMA(Direct Memory Access) 입출력

• 입출력장치 인터럽트 처리를 위해 이동하는 데이터가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식
  • 기존 방식들은 인터럽트 처리를 위해 CPU를 무조건 거쳐야 하기 때문에 CPU는 입출력장치 처리 연산에 시간을 소요하게 된다.
  • 특히 기존 방식에서 하드 디스크 백업 등 대용량 데이터 처리 시에는 CPU 부담이 더 크기 때문에 CPU 부담을 최소화 할 필요가 있다.

 

• 입출력장치 인터럽트 처리를 위해 CPU를 거치지 않고 메모리에서 데이터를 바로 접근할 수 있다.

 

• DMA 컨트롤러라는 하드웨어를 이용해 DMA 입출력을 한다.
  • DMA 컨트롤러는 시스템 버스에 연결돼 있다.

 

DMA 입출력 과정

 

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리 주소 등 입출력 정보를 명령한다.

2. DMA 컨트롤러는 장치컨트롤러와 직접 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 이 때 필요한 경우 DMA 컨트롤러는 직접 메모리에 접근해 정보를 읽거나 쓴다.

3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 보내 작업이 끝났음을 알린다.

 

 

DMA 입출력 특징

• CPU는 입출력 명령 이후 입출력 작업에 관여하지 않는다. 즉, 데이터 송수신에 CPU는 연관하지 않는다.
• 장점: CPU는 명령 이후 결과 인터럽트만 받으면 되기 때문에 작업 부담이 줄어든다.
• 단점
  • DMA 컨트롤러는 CPU와 시스템 버스를 공용 자원으로 사용한다.
  • CPU가 선점한 경우, DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 이용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 선점한 경우, CPU는 시스템 버스를 이용할 수 없다.
  • 사이클 스틸링(cycle stealing): DMA의 시스템 버스 이용
• 따라서 DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때 조금씩 이용하거나, CPU에 시스템 버스 사용을 요청하고 시스템 버스를 집중적으로 사용한다.

 

입출력 버스

• 시스템 버스만 존재하는 경우에는 CPU, 메모리, DMA 컨트롤러, 장치컨트롤러가 모두 같은 버스를 공유해야 한다.
• DMA를 위해서는 메모리 접근 시마다 시스템 버스를 두번 이용해야 한다. 이는 CPU가 시스템 버스를 이용하는데 병목을 발생시킨다.
  • 메모리에서 DMA 컨트롤러로 데이터를 가져올 때
  • DMA 컨트롤러 데이터를 장치 컨트롤러로 옮길 때
• 입출력 버스(input/output bus): DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러를 연결하는 버스
• DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러 간 데이터 전송 시 입출력 버스를 이용함으로 시스템 버스의 사용 빈도를 줄임
• 현대 컴퓨터는 대부분 입출력 버스를 통해 DMA 컨트롤러와 장치컨트롤러를 연결한다. 그리고 장치 컨트롤러는 입출력장치와 연결한다.

 

입출력 버스 종류

• PCI 버스 (Peripheral Component Interconnect bus)
• PCIe 버스(PCI Express)
  • 여러 입출력장치는 PCIe 슬롯을 통해 PCIe 버스와 연결됨
• 그 외 여러 종류가 존재함

 

입출력 프로세서(IOP; Input/Output Process)

• 입출력 명령어를 직접 인출, 해석, 실행까지 하는 입출력 전용 CPU라고 볼 수 있음
• 최신 입출력장치 내부에는 별도의 입출력 프로세서가 포함될 수 있음
• 입출력 채널이 있는 경우, CPU가 입출력 명령어를 처리하지 않음
  • CPU는 입출력 채널에 메모리에 저장된 특정 입출력 명령어를 수행하라고 지시함
  • 입출력 채널은 해당 입출력 명령어를 인출, 해석, 실행 후 인터럽트를 통해 CPU에 결과를 전송함
• 입출력 채널(Input/Output Channel) 이라고도 불림

 

 

참고

[6] Memory Mapped IO, I/O Mapped I/O https://do-rang.tistory.com/m/76

 

주요 Point

• 프로그램 입출력 → 인터럽트 입출력 → DMA 입출력 순으로 발전을 해온것 같으며, 보조 CPU 장치가 나타나는 쪽으로 발전해왔다.
• 입출력 버스에 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(PCIe) 버스가 있으며, 컴퓨터 조립을 하면 그래픽 장치와 ssd(nvme 지원)에 사용되는 버스를 접할 수 있는데 거기에 사용되는 용어가 PCIe 용어가 있었던 것으로 기억함.