💻 입출력 장치

장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러

• 입출력장치가 다루기 까다로운 이유
  • 입출력장치에는 종류가 많음
  • 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮음
    • 전송률 : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
• 장치 컨트롤러
  • 입출력 장치가 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 연결할 수 있도록 하는 하드웨어
  • 입출력 제어기, 입출력 모듈등으로 불림
  • CPU와 입출력 장치 간의 통신 중개
  • 오류 검출
  • 데이터 버퍼링
    • 버퍼링
      • 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장해서 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
      • 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나 데이터를 한번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법
• 장치 컨롤러의 내부
  • 데이터 레지스터
    • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터
    • 버퍼 역할을 함
    • 최근에는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 함
  • 상태 레지스터
    • 입출력 장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장됨
  • 제어 레지스터
    • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장

장치 드라이버

• 장치 드라이버
  • 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있도록 하는 프로그램
  • 실행 과정에서 메모리에 저장됨

다양한 입출력 방법

프로그램 입출력

• 프로그램 입출력
  • 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
  • CPU가 프로그램속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
• CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터들을 아는 방식
  • 메모리 맵 입출력
    • 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
    • 메모리 주소 공간이 축소됨
    • 메모리와 입출력장치에 같은 명령어 사용 가능
  • 고립형 입출력
    • 메모리를 위한 주소공간과 입출력장치를 위한 주소공간을 분리하는 방법
    • 메모리 주소 공간이 축소 되지 않음
    • 입출력 전용 명령어 사용

인터럽트 기반 입출력

• 인터럽트 기반 입출력
  • 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신초를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 수행함
• NMI
  • 인터럽트 비트를 비활성화 해도 무시할 수 없는 인터럽트
• 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러 (PIC)
  • 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 알려주는 장치

DMA 입출력

• DMA
  • 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용을 할 수 있는 입출력 방식
  • 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능
• DMA 컨트롤러
  • DMA 입출력을 하기 위해 시스템 버스에 연결된 하드웨어
• DMA 입출력 과정
  • CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령함
  • DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행함. 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 씀
  • 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림
• 메모리 내의 정보를 하드 디스크에 백업하는 작업이 DMA 입출력으로 이루어지는 과정
  • CPU는 DMA 컨트롤러에 하드디스크 주소, 수행할 연산(쓰기), 백업할 내용이 저장된 메모리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령함
  • DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 상호작용하며 백업할 정보를 읽어오고 이를 하드 디스크의 장치 컨트롤러에 내보냄
  • 백업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림
• 입출력 버스
  • DMA가 시스템 버스를 사용하는 동안 CPU가 사용하지 못한다는 단점을 해결하기 위해 만들어진 별도의 버스
  • DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 연결함
  • PCI 버스, PCI Express 버스 등 여러 종류가 있음 

참고 자료
혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제