[CS] {컴퓨터 구조} 입출력장치
1. 장치 컨트롤러와 드라이버
1) CPU - 입출력장치 정보 주고받기
> 입출력장치는 앞서 학습한 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다로움.
(1) 입출력장치에는 종류가 너무나도 많다
- 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.
(2) 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다
* 전송률 : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
=> 이런 이유로 입출력 장치는 장치 컨트롤러(= 입출력 제어기, 입출력 모듈)를 통해 컴퓨터와 연결된다.
2) 장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력장치 간의 통신중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
* 버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치사이에 주고받는 데이터를 "버퍼"라는 임시 저장공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
3) 장치 컨트롤러의 구조
(1) 데이터 레지스터
- CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터(버퍼)
- RAM을 사용하기도
(2) 상태 레지스터
- 상태정보저장(입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 완료되었는지, 오류는 없는지 등의 상태정보)
(3) 제어 레지스터
- 입출력 장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보
4) 장치 드라이버
: 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어하는 프로그램
-> 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로라면,
장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적 통로.
- 운영체제가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있음
2. 다양한 입출력 방법
> 세가지 입출력 방식 : 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력
1) 프로그램 입출력
: CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다
> 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업
(1) CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령어 내보내기
(2) 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태 확인 -> 상태 레지스터에 준비완료 표시
(3) CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인
(4) 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기
Q. CPU가 이 레지스터들(입출력장치의 주소)을 어떻게 알까?
(1) 메모리 맵 입출력
: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
- 메모리 접근 명령어 == 입출력 장치 접근 명령어
- 메모리 주소 공간이 축소됨
(2) 고립형 입출력
: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
- 입출력 전용 명령어 사용
- 메모리 주소공간이 축소되지 않음
2) 인터럽트 기반 입출력
- 하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생
> 동시다발적 인터럽트를 가정(마이크, 마우스, 키보드, 스피커, 모니터...)
(1) 순차적으로 처리
- 현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 수 없다.
- 인터럽트 중에서도 우선순위가 높은 인터럽트가 있다.
(2) 우선순위를 반영한 인터럽트
- 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우
* PIC
: 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러의 하드웨어 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에게 처리해야 하는 인터럽트가 무엇인지 판단하는 하드웨어
+ 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 '공통점'
- 입출력장치와 메모리간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다
3) *DMA 입출력
: CPU를 거치지 않고 입출력장치가 메모리에 직접적으로 접근하는 기능
(1) DMA 입출력 과정
a. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업을 명령
b. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
(이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근)
c. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에 작업이 끝났음을 알림
(2) DMA 과정에서 시스템 버스를 이용할 때의 문제점
- 시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 동시 사용이 불가능
- CPU가 시스템 버스를 사용하면 DMA 컨트롤러는 사용 불가(반대도 마찬가지)
=> 그래서 DMA 컨트롤러는!
a. CPU가 시스템버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스 이용
b. CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용
+ 입출력 장치가 시스템 버스에 접근하는게 괜찮은가?
> 분명 시스템 버스는 동시 사용이 불가하기 때문에 계속 접근하면 좋지 않다했는데...
=> 입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도 낮추기
