장치 컨트롤러
입출력장치가 다루기 까다로운 이유
1. 입출력장치에는 종류가 많다.
: 종류가 다양하면 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.
2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만, 입출력장치의 데이터 전송률은 낮습니다.
: 메모리 전송률이 CPU와 메모리보다 높은 경우도 있지만, 결과적으로 CPU와 메모리와 전송률이 비슷하지 않기 때문에 어려움이 있다.
- 장치 컨트롤러(Device controller)
: 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러인 하드웨어를 통해 연결
: 장치 컨트롤러는 입출력 제어기(I/O Controller), 입출력 모듈(I/O Module)로 불린다.
- 전송률 (tranfer rate) : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
입출력장치에는 종류가 많아 정보 규격화가 어려웠던 문제
- 해결 방안
: 장치 컨트롤러가 일종의 변역가 역할을 함으로써 해결
: 이 과정에서 장치 컨트롤러는 자신과 연결된 입출력장치에 문제는 없는지 오류를 검출
데이터 버퍼링
버퍼링(Buffering)이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼(Buffer)라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
- 버퍼 데이터를 조금씩 모았다가 한번에 내보낸다.
- 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법
장치 컨트롤러는 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 일반적으로 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화
장치 컨트롤러의 내부구조
- 데이터 레지스터(data register)
- 상태 레지스터(status register)
- 제어 레지스터(control register)
- 상태와 제어 레지스터는 하나로 사용되기도 한다.
데이터 레지스터(Data register)
: CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터
: 전송률 차이를 완화시키는 버퍼 역할
: 최근 주고받은 데이터가 많은 입출력장치에는 레지스터 대신 RAM을 사용
상태 레지스터(Status register)
: 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지 확인
: 입출력 작업이 완료되었는지 확인
: 입출력장치에 오류는 없는지 상태 정보가 저장
제어 레지스터(Contorl register)
: 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장
이 레지스터 값들은
1. bus를 통해 CPU 또는 입출력장치로 전달
2. 장치 컨트롤러에 연결된 입출력장치로 전달
장치 드라이버(device driver)
장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
: 프로그램이기에 실행 과정에서 메모리에 저장
: 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로
장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체
= 윈도우, macOS같은 운영체제
: 운영체제가 장치 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있다.
장치 컨트롤러가 CPU와 정보를 주고받는 방식
- 프로그램 입출력
- 인터럽트 기반 입출력
- DMA 입출력
프로그램 입출력(programmed I/O)
프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어
: 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 CPU가 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업 수행
CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터들을 아는 이유
1. 메모리 맵 입출력(memory-mapped)
: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
- 메모리와 입출력장치는 같은 주소 공간 사용
- 메모리 주소 공간이 축소됨
- 메모리와 입출력장치에 같은 명령어 사용 가능
2. 고립형 입출력(isolated I/O)
: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
- 메모리와 입출력장치는 분리된 주소 공간 사용
- 메모리 주소 공간이 축소되지 않음
- 입출력 전용 명령어 사용
인터럽트 기반 입출력(Interrupt-Dreiven I/O)
CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령 > 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어 > 입출력을 수행하는 동안 CPU가 다른 작업을 진행 > 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 전달 > CPU 진행하던 일 백업 후 인터럽트 서비스 루틴 실행
폴링(Polling)
: 입출력장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지 주기적으로 확인하는 방식
: 인터럽트 방식보다 CPU의 부담이 크다.
여러 인터럽트가 발생한다면?
CPU는 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 여러 인터럽트를 처리
- 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화된 경우
- 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시하는 없는 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우
CPU는 이렇게 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.
프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC : Programmable Interrupt Controller) 하드웨어
: 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 알려주는 장치
PIC 다중 인터럽트 처리 과정
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 된다. > 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행
- PIC를 여러개를 사용한다면 훨씬 더 많은 하드웨 인터럽트를 관리할 수 있다.
- PIC가 우선순위를 조정해 주는 인터럽트는 인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트이다.
NMI는 우선순위가 가장 높아 판별이 불필요
프로그램 기반 입출력 & 인터럽트 기반 입출력 공통점
입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도
이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다는 것이다.
DMA(Direct Memory Access) 입출력
입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용 가능한 입출력 방식
: 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능
: DMA 입출력하려면 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요
DMA 입출력 과정
1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 이불력 작업 수행 > DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽기/쓰기한다.
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
- CPU는 DMA 컨트롤러에서 시작과 끝에만 관여
- DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근 가능
But, 시스템 버스는 동시 사용 불가
: DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 시스템 버스를 사용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구해야한다.(>사이클 스틸링(Cycvle stealing))
입출력 버스(input/output bus)
DMA가 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큰 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없다.
이는, DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들은 입출력 버스를 연결하여 해결
- 입출력장치(장치 컨트롤러) = 입출력 버스와 연결
: 입출력 버스 > 컴푸터 내부와 연결 짓는 통로라고 볼 수 있다.
입출력 버스
1. PCI(peripheral component interconnect)
2. PCI Express(PCle)버스 등
혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제
08. 입출력장치 (232p - 254p)
