장치 컨트롤러와 장치 드라이버
장치 컨트롤러
- 입출력장치는 앞서 학습한 CPU, 메모리보다 다루기 더 까다로움
- 입출력장치의 종류가 굉장히 다양
- 장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등 다양
- 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어려움
- 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮음
- 전송률(transfer rate)이란 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
- 입출력장치의 종류가 굉장히 다양
- 이러한 이유로 입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받음
장치 컨트롤러의 역할
1. CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 일종의 번역가 역할 수행
- 규격화가 어려운 문제를 어느 정도 해결
2. 오류 검출
3. 데이터 버퍼링
- 버퍼링이란, 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
장치 컨트롤러의 구조
- 버스에 연결되어 데이터, 상태, 제어 정보를 주고받음
- 상태 레지스터와 제어 레지스터는 하나의 레지스터(상태/제어 레지스터)로 사용되기도
- 데이터 레지스터
- CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터 (버퍼)
- RAM을 사용하기도
- 상태 레지스터
- 상태 정보 저장
- 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지
- 입출력 작업이 완료되었는지
- 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보
- 상태 정보 저장
- 제어 레지스터
- 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보
장치 드라이버
- 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어하는 프로그램
- 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
- 장치 컨트롤러가 하드웨어적인 통로라면, 장치 드라이버는 소프트웨어적인 통로
- 장치 드라이버가 설치되어 있지 않다면 해당 입출력장치를 사용할 수 없음
- 운영체제가 연결된 장치의 드라이브를 인식하고 실행할 수 있다면 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있음
다양한 입출력 방법
프로그램 입출력
- 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
- 입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용
- CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어짐
- CPU가 어떻게 레지스터들(입출력장치의 주소)을 아는가?
- 명령어들이 어떻게 표현되고 어떻게 메모리에 저장되는가?
- 메모리 맵 입출력 & 고립형 입출력
예시. 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업 (= 하드 디스크에 새로운 정보 쓰기)
- CPU가 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령 내보냄
- 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크의 상태 확인 후 상태 레지스터에 준비 완료 표시
- CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부 확인 (폴링)
- 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기
- 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 1번부터 반복, 쓰기가 끝났다면 작업 종료
메모리 맵 입출력
- 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주
- 메모리 접근 명령어 == 입출력장치 접근 명령어
- e.g. 516번지 = 프린터 컨트롤러의 데이터 레지스터, 518번지 = 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터, ...
고립형 입출력
- 메모리를 위한 주소 공간과 입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
- (입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 전용 명령어 사용
인터럽트 기반 입출력
- 인터럽트 복습
- (하드웨어) 인터럽트의 개념: 일종의 알람 역할
- 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트: 하드웨어 인터럽트 받을 수 있을지 없을지 여부
- 인터럽트 요청 신호: CPU에게 입출력장치가 보내는 신호
- 인터럽트 서비스 루틴: 인터럽트를 처리하기 위한 특별한 프로그램
- 하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생
동시 다발적인 인터럽트
- 인터럽트 발생 순서대로 처리
- 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우
- 하드웨어 인터럽트는 이렇게 처리할 수 있으나, non-maskable interrupt(NMI; 하드웨어 고장, 정전 등)는 인터럽트 비트가 비활성화되어 있어도 순차적으로 처리하지 않음
- 현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 수 없음
- 인터럽트 중에서도 우선 순위가 높은 인터럽트가 존재
- 우선순위를 반영하여 인터럽트 처리
- NMI가 발생한 경우, 혹은 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우
- PIC(Programmable Interrupt Controller)
- 여러 장치 컨트롤러에 연결
- 장치 컨트롤러의 하드웨어 인터럽트의 우선순위 판단
- CPU에게 지금 처리해야 하는 인터럽트가 무엇인지 판단
- c.f. NMI 우선순위까지 판단하지는 않음
DMA 입출력
- 프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 공통점
- 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도
- 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거침
- DMA (Direct Memory Access)
- CPU를 거치지 않고 입출력장치가 메모리에 직접적으로 접근하는 기능
DMA 입출력 과정
- CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업을 명령
- DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
- 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근
- 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에 작업이 끝났음을 알림
- CPU는 입출력 작업의 시작과 끝만 관여
- DMA 과정에서 시스템 버스를 사용하는데, 시스템 버스는 공용 자원이기에 동시 사용이 불가능
- 즉, CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, 반대도 마찬가지
- DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 사용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용
입출력 버스
- 시스템 버스를 (불필요하게) 두 번 이용하는 DMA 컨트롤러
- 입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도 낮추기
- e.g. PCI 버스, PCI express (PCIe) 버스와 입출력 장치를 연결짓는 슬롯
Graduate student at Seoul National University, majoring in Artificial Intelligence (NLP). Currently AI Researcher at LG CNS AI Lab