[CS] 혼공컴운 Chapter 8. 입출력장치

08-1 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러

• 입출력장치의 종류는 매우 다양하다.
  • 키보드, 모니터, USB 메모리, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등 다양한 종류의 입출력장치가 있으며, 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양하다.
  • 따라서 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기가 어려움.
• 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터의 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.
  • 그렇기 때문에 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러(device controller)라는 하드웨어를 통해 연결된다.
  • 장치 컨트롤러는 대표적으로 다음과 같은 역할을 통해 앞서 언급한 문제를 해결한다.
    • CPU와 입출력장치 간의 통신중개 : 정보 규격화 문제 해결
    • 오류 검출 : 연결된 입출력장치 오류 검출
    • 데이터 버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고 받는 데이터를 버퍼(buffer)라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

 

장치 컨트롤러의 내부구조

• 데이터 레지스터
  • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터.
  • 버퍼 역할을 수행하며, 최근 주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 함.
• 상태 레지스터
  • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 오류는 없는지 등의 상태 정보 저장.
• 제어 레지스터
  • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장.
• 레지스터에 담긴 값들은 버스를 타고 CPU나 다른 입출력장치로 전달되기도 하고, 장치 컨트롤러에 연결된 입출력장치로 전달.

 

장치 드라이버

• 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램.
• 즉, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로라면, 장치 드라이버는 소프트웨어적인 통로.

 

08-2 다양한 입출력 방법

입출력 작업이 수행되기 위해 CPU와 장치 컨트롤러가 정보를 주고받아야 한다. 대표적인 세 가지 방법은 다음과 같다.

프로그램 입출력

• 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법.
• CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어지며, 아래와 같이 크게 두 가지 방식이 있다.

 

메모리 맵 입출력

• 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법.
• CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 되므로, 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다.

 

 

고립형 입출력

• 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법.
• CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용.

 

인터럽트 기반 입출력

입출력장치가 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 멈추고 해당 인터럽트를 처리하는 프로그램인 인터럽트 서비스 루틴을 실행한 뒤 다시 하던 일로 되돌아온다. 즉, 인터럽트를 기반으로 하는 입출력

• CPU는 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 여러 인터럽트를 처리할 수 있다.

• 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC : Programmable Interrupt Controller)
  • 다중 인터럽트를 처리하는 대표적인 방법
  • 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치.
  • PIC에 연결된 장치 컨트롤러들이 동시에 하드웨어 인터럽트 요청을 보내면 PIC는 이들의 우선순위를 판단하여 CPU에 가장 먼저 처리할 인터럽트를 알려줌.

 

DMA 입출력

• 프로그램 입출력과 인터럽트 기반 입출력은 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동을 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거치기 때문에 CPU는 입출력장치를 위한 연산 때문에 리소스를 뺏기게 된다.
• 따라서 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 직접 메모리 접근 입출력 방식인 DMA(Direct Memory Access)가 등장.
• CPU는 DMA 컨트롤러에게 입출력 작업 명령을 내리고, 작업이 끝나면 인터럽트만 받으면 되기 때문에 작업 부담을 훨씬 줄일 수 있다.
• DMA를 위해 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못하는 문제가 발생한다. 이를 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결.
  • 입출력 버스에는 PCI(Peripheral Component Interconnect)버스, PCI Express(PCIe)버스 등 여러 종류가 있다.