[혼자 공부하는 컴퓨터구조와 운영체제] 8_입출력장치

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• 장치 컨트롤러
• 장치 드라이버
• 프로그램 입출력 방식이 무엇인지
• 인터럽트 기반의 입출력 방식
• DMA 입출력 방식

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1) 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러 = 입출력 제어기 = 입출력 모듈

1. 입출력장치의 종류가 매우 많음
2. 입출력장치의 데이터 전송률(데이터 교환 속도)가 낮음

이 때문에, 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결됨

 

장치 컨트롤러의 역할

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

데이터 버퍼링

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

 

장치 컨트롤러의 내부

• 데이터 레지스터주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 함.
  • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터
• 상태 레지스터
  • 입출력장치의 상태 정보 저장
• 제어 레지스터
  • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령 저장

 

장치 드라이버

컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램

 

 

2) 다양한 입출력 방법

프로그램 입출력

프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법

입출력 명령어를 만나면, CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀.

 

메모리 맵 입출력

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

 

고립형 입출력

메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법.

CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는 명령어 사용

 

인터럽트 기반 입출력

CPU가 장치 컨트롤러에 입출력 작업 명령

→ 장치 컨트롤러가 입출력장치 제어&입출력 수행, CPU 다른 일 진행

→ 입출력 작업 끝나고 CPU에 인터럽트 요청 신호

→ CPU 하던 일 백업, 인터럽트 서비스 루틴 실행

폴링

CPU가 주기적으로 장치 컨트롤러의 상태 레지스터를 확인 방식
인터럽트 방식보다 CPU의 부담이 큼
→ 폴링으로 상태를 계속 확인해야 하기 때문에

 

플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화 / 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 NMI가 발생한 경우

→ 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리

→ 대부분의 컴퓨터에서 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC) 하드웨어 사용.

 

PIC

여러 장치 컨트롤러에 연결되어 우선 순위 판별 후 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트 알림

1. PIC: 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호 받음
2. PIC: 인터럽트 우선순위 판단 후, CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호 보냄
3. CPU: PIC에 인터럽트 확인 신호 보냄
4. PIC: 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터 보냄
5. CPU: 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체 알게 됨, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행

 

DMA 입출력

위의 프로그램 기반 입출력 & 인터럽트 기반 입출력은 모두

입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동을 CPU가 주도, 데이터도 CPU를 거침

DMA는 CPU를 거치지 않고도 상호작용하게 하는 방식. 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러 하드웨어 필요.

 

DMA 입출력 과정

입출력장치와 메모리 사이에 주고받을 데이터는 CPU를 거치지 않음

CPU는 입출력의 시작과 끝에만 관여

하지만, 시스템버스는 공용 자원이라 CPU가 이용하지 않을 때 혹은 허락을 구하고 이용.

→ CPU가 시스템버스 접근 주기를 도둑맞음: 사이클 스틸링

 

입출력 버스

위의 사이클 스틸링을 해결하기 위하여 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결

PCI버스, PCI Express(PCOe)버스 등 여러 종류..