문제
Memory-Mapped I/O와 Isolated I/O의 차이를 입출력 장치 영역, 명령어 및 하드웨어 관점에서 비교하여 설명하세요. (25점)
답안
- 개념 개요
컴퓨터 시스템에서 I/O (Input/Output) 방식은 CPU가 메모리와 외부 입출력 장치 간에 데이터를 교환하는 방식입니다. Memory-Mapped I/O와 Isolated I/O는 각기 다른 구조와 제어 방식을 통해 이 통신을 수행합니다. 다음에서는 이 두 방식의 작동 원리를 세 가지 관점(입출력 장치 영역, 명령어, 하드웨어)에서 비교하겠습니다.
- 비교
2.1 입출력 장치 영역 (Address Space)
• Memory-Mapped I/O
• 메모리 주소 공간의 일부를 I/O 장치와 공유하는 방식입니다.
• CPU는 특정 메모리 주소를 통해 I/O 장치에 접근하며, 메모리와 I/O가 같은 주소 공간을 공유하기 때문에 메모리와 I/O 장치가 동일한 방식으로 접근됩니다.
• 메모리 주소가 부족한 경우 이 방식은 메모리 공간을 일부 희생하게 되므로, 메모리 공간 관리에 영향을 미칠 수 있습니다.
• Isolated I/O (또는 I/O-Mapped I/O)
• 메모리와 별도의 I/O 주소 공간을 사용하는 방식입니다. I/O 주소는 메모리 주소와 분리되어 있으며, CPU는 I/O 장치에 접근할 때 별도의 주소 레지스터를 사용합니다.
• 이 방식은 메모리 공간을 전부 실제 메모리 사용에 할당할 수 있어, 메모리 자원이 절약될 수 있습니다.
• I/O와 메모리를 구분하므로 주소 공간의 충돌이 발생하지 않습니다.2.2 명령어 (Instruction Set)
• Memory-Mapped I/O
• I/O 접근이 일반 메모리 명령어로 이루어집니다. 즉, LOAD나 STORE와 같은 메모리 접근 명령어로 I/O 장치를 제어합니다.
• CPU는 메모리와 I/O 장치 간의 구분 없이 단일 명령어 셋을 사용하므로, 명령어 집합이 단순화됩니다.
• 메모리와 I/O 간 동일 명령어 사용이 가능하여, 프로그래밍 및 명령어 관리가 용이합니다.
• Isolated I/O
• CPU는 I/O 장치 접근을 위해 별도의 I/O 명령어 (IN, OUT 등)를 사용합니다.
• I/O와 메모리 접근을 명확히 구분하므로, 메모리 접근과 I/O 접근이 구분되어 보다 명확한 제어가 가능합니다.
• 그러나, 명령어 집합이 증가하여 CPU와 명령어 집합 설계가 복잡해질 수 있습니다.2.3 하드웨어 관점 (Hardware Complexity)
• Memory-Mapped I/O
• CPU와 메모리, I/O 장치가 같은 버스를 공유합니다. 따라서 I/O 장치를 메모리 주소 버스와 데이터 버스를 통해 직접 연결하면 됩니다.
• 하드웨어 복잡성이 줄어들며, 버스를 공유하기 때문에 설계가 간단하고 비용이 절감됩니다.
• 메모리와 I/O가 하나의 공간을 차지하므로, 동시에 여러 장치에 접근하는 경우 버스의 충돌 가능성이 존재합니다.
• Isolated I/O
• CPU와 메모리, I/O 장치가 별도의 버스 구조를 가집니다.
• CPU가 I/O 장치와 메모리를 각각 제어하기 위한 추가 회로가 필요하며, 별도의 주소 버스와 제어 신호를 통해 I/O 장치에 접근합니다.
• 이로 인해 하드웨어 구성이 다소 복잡하고 비용이 증가할 수 있지만, 메모리와 I/O 장치가 독립적으로 동작할 수 있어 버스 충돌이 감소합니다.-
장단점 요약
• Memory-Mapped I/O
• 장점: 설계가 단순하고 비용이 절감되며, CPU 명령어 집합이 단순화됩니다.
• 단점: 메모리 공간의 일부를 I/O 장치가 차지하여 메모리 사용 효율이 떨어지고, 버스 충돌 가능성이 있습니다.
• Isolated I/O
• 장점: 메모리와 I/O 장치가 독립적으로 동작하므로 충돌이 적고, 명확하게 분리된 주소 공간으로 제어가 용이합니다.
• 단점: 하드웨어 회로가 복잡하고 비용이 증가할 수 있으며, CPU 명령어 집합이 복잡해질 수 있습니다. -
결론
Memory-Mapped I/O와 Isolated I/O는 각각 장단점이 뚜렷하며, 시스템의 요구사항에 따라 적합한 방식이 선택됩니다. 메모리 공간의 효율성을 중시하고 CPU 명령어가 간단해야 하는 시스템에는 Memory-Mapped I/O가 적합하며, 메모리와 I/O 간의 독립적 제어가 중요한 경우 Isolated I/O가 더 적합할 수 있습니다.
