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.
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.
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
- 프로그램 입출력
- 인터럽트 기반 입출력
- 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 |
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
- PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호들을 받아들임
- PIC는 인터럽트 우선순위를 판단하고, CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보냄
- CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보냄
- PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보냄
- 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.
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.
'Study > 컴퓨터공학' 카테고리의 다른 글
[컴퓨터 구조] 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 Chapter 10 프로세스와 스레드 (0) | 2022.11.30 |
---|---|
[컴퓨터 구조] 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 Chapter 9 운영체제 시작하기 (0) | 2022.11.25 |
[컴퓨터 구조] 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 Chapter 7 보조기억장치 (0) | 2022.11.20 |
[컴퓨터 구조] 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 Chapter 6 메모리와 캐시 메모리 (2) | 2022.11.10 |
[컴퓨터 구조] 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제 Chapter 5 CPU 성능 향상 기법 (0) | 2022.11.07 |