[혼공컴운] chapter.08 입출력장치

2023.07.23 - [컴퓨터 공학/컴퓨터 구조] - [혼공컴운] chapter.07 보조기억장치

[혼공컴운] chapter.07 보조기억장치

 

08-1 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

• 장치 컨트롤러(device controller)
  : 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는 하드웨어 부품. 입출력 제어기(I/O controller), 입출력모듈((I/O module) 이라고도 함.
  * 다양한 입출력장치들로 인해서 CPU와 정보를 주고받는 형식 규격화 어려움.
  * CPU의 전송률에 비해 입출력장치들의 전송률은 매우 낮음.
  → 이러한 이유들로 인해서 CPU와 입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해서 명령어를 수행함.
  
  - 전송률(transfer rate): 데이터의 교환 속도.
  
  
  
• 장치 컨트롤러의 역할
  • CPU와 입출력장치 간의 통신 중계
  • 오류 검출
  • 데이터 버퍼링
    - 버퍼링(buffering): 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼(buffer)라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률의 균형을 맞추는 방식.
    * 데이터들을 버퍼에 쌓아서 한꺼번에 내보내는 방식. 유튜브 동영상 재생시 생기는 버퍼링도 같은 개념이다.
    
    
    
• 장치 컨트롤러의 내부
  - 데이터 레지스터(data register): CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터. 버퍼 역할을 하는 레지스터.
  - 상태 레지스터(status register): 입출력장치의 주요 상태 정보들이 저장되는 레지스터.
  - 제어 레지스터(control register): 입출력장치가 수행할 내용에 대한 정보와 명령이 저장되는 레지스터.
  
  * 실제로는 더 복잡하지만 기능을 이해하는데 필요한 주요 레지스터들을 기술하였음.
  
  
  
• 장치 드라이버(device driver)
  : 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램. 
  
  * 장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체는 운영체제. 
  
  
  
  
  
  

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08-2 다양한 입출력 방법

• 프로그램 입출력
  • 메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)
    : 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 같은 주소 공간을 사용하는 방법.
    일부는 메모리를 위한 주소 공간으로 할당하고 다른 일부는 입출력장치를 위한 주소 공간을 할당하여 하나의 주소 공간으로 메모리와 입출력장치를 접근하는 것이 가능하다.
    
    → 하나의 메모리 공간에 있기 때문에 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어가 같다.
    
    
    
  • 고립형 입출력(isolated I/O)
    : 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법. 
    고립형 입출력은 입출력장치 읽기/쓰기와 메모리 읽기/쓰기가 나누어져 각자 별도의 제어 버스를 사용한다.
    
    → 메모리 맵 입출력 방식에 비해 메모리 주소 공간이 확보됨. 서로 다른 주소 공간을 활용하기 때문에 입출력장치 전용 명령어를 사용해야 한다.

 

 

 

 

• 인터럽트 기반 입출력(Interrupt-Driven I/O)
  : CPU가 장치 컨트롤러의 인터럽트 신호를 받아 인터럽트 서비스 루틴을 수행하도록 하는 방식.
  
  * 폴링(polling): CPU가 상태 레지스터를 확인하여 입출력장치의 상태를 확인하는 방식. 
  CPU가 입출력장치의 상태를 뺑뺑이 돌듯이 확인..
  
  
  
• 다중 인터럽트 처리
  • 인터럽트 발생 순서대로 처리
    → 플래그 레지스터의 인터럽트 비트 상태 비활성화인 경우.
  • 우선순위 고려하여 인터럽트 처리
    → 플래그 레지스터의 인터럽트 비트 활성화인 경우 혹은 비활성화이고 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우
    
    - NMI: 무시할 수 없는 인터럽트.
    - PIC(Programmable Interrupt Controller)(프로그래머블 인터럽트 컨트롤러): 장치 컨트롤러에 연결된 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 정보를 보내는 하드웨어.
    
    < PIC의 다중 인터럽트 처리 과정 >
    1. 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호 받아들임.
    2. 인터럽트 우선순위 판단 후 CPU에 인터럽트 요청 신호 보냄.
    3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호 보냄.
    4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터 보냄.
    5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 요청 주체를 알고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴 실행.
    

인터럽트 발생 순서대로 처리

우선순위 고려한 인터럽트 처리

 

 

• DMA(Direct Memory Access) 입출력
  : DMA 컨트롤러를 통해 CPU를 거치지 않고 상호작용할 수 있는 입출력 방식.
  
  * DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때 조금씩 시스템 버스 이용. (사이클 스틸링(cycle stealing))
  
  
• DAM 입출력 과정
  
  1. CPU가 DMA 컨트롤러에 입출력 작업 명령
  2. DMA 컨트롤러가 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업 수행. 
     → 필요한 경우 DMA 컨트롤러가 직접 메모리 접근하여 작업 수행.
  3. 입출력 작업 종료시 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트.
     
     
     
• 입출력 버스(I/O bus)
  : DMA 입출력 방식 사용시 사이클 스틸링 문제를 해결하기 위한 버스.
  PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(PCIe) 버스 등.
  
  * 최근에는 입출력 전용 CPU(입출력 프로세서 / 입출력 채널)가 탑재된 입출력장치들이 출시되어 판매되고 있다.
  
  

 

 

 

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* 오류 지적은 환영입니다.^^ *