[컴퓨터 구조] - 21강. 다양한 입출력 방법

이 글은 한빛미디어 '혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제'를 공부하고 정리한 내용입니다.

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- 장치 컨트롤러와 CPU가 정보를 주고 받는 방식은 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력 3가지의 방법이 있다.

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● 프로그램 입출력(programmed I/O) : 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법.

CPU가 프로그램 속 명령어를 실행할때 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하여 입출력 작업을 수행한다.

 

- 하드 디스크의 장치 컨트롤러로 예시

1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.

2. 장치 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인. 준비된 상태라면 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다.

3. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 확인하며 하드 디스크 준비 여부를 확인한다. 준비 완료를 확인하면 CPU는 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 작성한다.

- 이러한 방식으로 CPU와 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽으면서 입출력 장치를 제어하게 된다.
- CPU 내부의 레지스터와 달리 CPU는 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터를 모두 알기는 어렵다. 때문에 메모리 앱 입출력 과 고립형 입출력 방식으로 장치 컨트롤러의 레지스터에 접근한다.

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◆ 메모리 맵 입출력(Memory-Mapped I/O)

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

- 메모리의 입출력장치를 위한 주소 공간에 데이터 레지스터 혹은 상태 레지스터에 대한 주소를 미리 지정하고, 해당 공간으로 CPU가 접근하면 간접 주소 지정 방식을 통해 해당 공간은 장치 컨트롤러 내 레지스터에 접근한다.

메모리 맵 입출력

◆ 고립형 입출력(Isolated I/O)

- 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법.

- 제어 버스에 '입출력장치 읽기/쓰기' 선이 따로 있어서 CPU에서 입출력장치를 활성화하는 명령어를 실행할 때 장치 컨트롤러에 접근한다.

메모리 맵 입출력	고립형 입출력
메모리와 입출력장치는 같은 주소 공간 사용	메모리와 입출력장치는 분리된 주소 공간 사용
메모리 주소 공간이 축소됨	메모리 주고 공간이 축소되지 않음
메모리와 입출력장치에 같은 명령어 사용 가능	입출력 전용 명령어 사용

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● 인터럽트 기반 입출력(Interrupt-Driven I/O)

- 하드웨어로 인한 인터럽트는 정확히는 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생한다.

- 작업을 끝낸 입출력장치의 장치 컨트롤러는 CPU에게 입터럽트 요청 신호를 보내고 CPU는 하던 일을 잠시 백업하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

 

※ 폴링(Polling)이란??
- 인터럽트와 비교되는 개념으로 입출력장치의 상태가 어떤지, 체리할 데이터가 있는지 주기적으로 확인하는 방식으로, 인터럽트 방식보다 CPU의 부담이 크다.

- 여러 입출력장치에서 발생하는 인터럽트는 발생한 순서대로 순차적 진행을 하지만 그중에도 우선순위가 높은 인터럽트가 발생한다면 이를 우선적으로 처리한다.이는 인터럽트 서비스 루틴이 진행중일 때도 마찬가지이다.

(왼) 인터럽트 A의 우선순위가 B보다 높은 경우                (오) 인터럽트 A의 우선순위가 B보다 낮은 경우

- 플래그 레지스터의 인터럽트 비트의 여부와 상관없이 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우 CPU는 위의 그림과 같이 우선순위가 높은 인터럽트 부터 처리한다.

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- 우선순위를 반영하는 다중 인터럽트 처리 방법 중 많은 컴퓨터에선 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC : Programmable Interrupt Controller)라는 하드웨어를 사용한다.

- PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 후 CPU에서 우선 처리해야할 인터럽트를 알려주는 장치이다.

 

◆ PIC의 다중 인터럽트 처리 과정

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)을 받아들인다.
2. 인터럽트 우선순위를 판단한 후 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 백터를 보낸다.
5. CPU는 인터럽트 백터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 확인하고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

- 일반적으로 더 많고 복잡한 장치들의 인터럽트를 관리하기 위해 PIC를 두 개 이상 계층적으로 구성한다.

- PIC는 NMI까지 우선순위는 확인할 필요성이 없기 때문에 판별하지 않는다.

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● DMA 입출력(Direct Memory Access I/O)

- 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 기능.

- DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.

 

◆ DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산, 읽고 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.

2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행. 필요할 시 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.

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

- DMA 입출력 과정을 통해 CPU는 입출력의 시작과 끝에만 관여하면 되므로 CPU의 부담을 줄일 수 있다.

 

※ 시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 CPU가 사용하고 있는 동안 DMA 컨트롤러는 사용할 수 없다.
그렇기에 DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 사용하지 않을 때나 CPU에게 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용하게 되는데 이런 DMA의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링(Cycle Stealing)이라고 한다.

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◆ 입출력 버스(I/O Bus)

- DMA에서 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못하기 때문에 입출력(I/O Bus)라는 별도의 버스에 연결하여 해결한다. 장치 컨트롤러들이 시스템 버스가 아닌 칩출력 버스로 DMA 컨트롤러에 연결되면 데이터를 전송할 때(위의 DMA 입출력 과정 2번)는 시스템 버스를 이용할 필요가 없으므로, 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있다.

입출력버스

- 현대 대부분 컴퓨터에는 입출력 버스가 있으며, 장치 컨트롤러는 시스템 버스가 아닌 입출력 버스와 연결되어있다.

- 입출력 버스에는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(PCle) 버스 등 여러 종류가 있으며 이러 입출력 장치들을 PCle 버스와 연결해 주는 통로가 PCle 슬롯이다.

PCle 슬롯