[혼공학습단 9기] 혼.공.컴.운. - 8. 입출력장치

컴퓨터의 네 가지 핵심 부품 중 마지막인 입출력장치에 대해 알아보자.

08-1. 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러와 장치 드라이버라는 개념을 통해 다양한 외부 장치가 컴퓨터 내부와 어떻게 연결되고 소통하는지를 알아보자.

장치 컨트롤러

입출력장치가 다루기 더 까다로운 이유

 

첫째, 입출력 장치에는 종류가 너무나도 많다.

키보드부터 마이크까지 다양한 입출력 장치들과 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.

 

둘째, 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.

전송률: 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표

이런 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치 간의 통신을 어렵게 한다.

 

장치 컨트롤러(입출력 제어기, 입출력 모듈): 위와 같은 이유 때문에 컴퓨터와 입출력 장치를 매개해주는 장치. 모든 입출력 장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받는다. 하드디스크 또한 장치 컨트롤러가 있다.

 

장치 컨트롤러의 역할

• CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링

데이터 버퍼링: 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법. 즉, 장치 컨트롤러는 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 일반적으로 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화한다.

버퍼링: 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

 

장치 컨트롤러의 내부 구조

• 데이터 레지스터(data register): CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터. 최근 주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 한다.
• 상태 레지스터(status register): 입출력장치의 상태 정보가 저장된다.
• 제어 레지스터(control register): 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

* 상태 레지스터와 제어 레지스터는 하나의 레지스터로 사용되기도 한다.

 

장치 드라이버

장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다. 새로운 장치를 컴퓨터에 연결하려면 장치 드라이버를 설치해야 한다.

 

08-2. 다양한 입출력 방법

장치 컨트롤러와 CPU가 정보를 주고 받는 세가지: 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력

프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로 입출력 장치를 제어하는 방법

CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.

 

메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 과정

1. CPU가 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.
2. 하드 디스크 컨트롤러가 하드 디스크 상태를 확인하고, 상태 레지스터에 준비되었음을 표시한다.
3. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽다가 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다. 

 

CPU가 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터를 조작하는 법

메모리 맵 입출력(memory-mapped 1/O)

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

 

고립형 입출력(Isolated I/O)

메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법. CPU가 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용한다.

 

인터럽트 기반 입출력

입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트: CPU가 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 한다. 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

*폴링: 인터럽트와 비교되는 개념. 입출력장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식. 인터럽트 방식보다 CPU의 부담이 더 크다.

 

다중 인터럽트 처리

NMI가 발생하면 CPU는 우선순위가 더 높은 인터럽트부터 처리한다.

NMI(Non-Maskable Interrupt): 플래그 레지스토 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트

 

프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC: Programmable Interrupt Controller): 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치. 여러 핀에 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있다. 

 

PIC의 다중 인터럽트 처리 과정(NMI는 우선순위가 가장 높아 제외)

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)를 받아들인다.
2. PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6. 일반적으로 PIC를 두 개 이상 계층적으로 구성한다. 

 

DMA 입출력

두 입출력에 공통점이 있다면 CPU가 모든 걸 주도한다는 점이다. 이 때문에 CPU에 부담이 많이 간다.

DMA(Direct Memory Access): 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식. 메모리에 직접 접근할 수 있는 입출력 기능이다. DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.

 

DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알립니다.

 

DMA 컨트롤러와 CPU 모두 공용 자원인 시스템 버스를 이용해야 하는데, DMA 컨트롤러는 CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 맡고 집중적으로 시스템 버스를 이용하는 방식으로 해결한다.

 

입출력 버스

DMA를 위해 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다. DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있다.

 

DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러가 서로 데이터를 전송할 떄는 시스템 버스를 이용할 필요가 없으므로 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있는 것이다.

 

현대 대부분의 컴퓨터에는 입출력 버스가 있으며, PCI버스, PCI Express 버스 등 여러 종류가 있다. 

 

최근에는 입출력 전용 CPU인 입출력 프로세서(입출력 채널)까지 만들어졌다. 이 경우 CPU가 입출력 채널에게 지시하면 입출력 채널이 입출력 명령어를 실행한다.

 

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이상으로 컴퓨터 구조에 대한 학습을 모두 마쳤다.

 

1. "직접 컴퓨터 부품들 찾아보기"
2. "특정 제품 분석하기"