컴퓨터와 입·출력장치 사이의 데이터 전송은 여러 가지 모드로 나누어지는데, CPU를 중간 경로로 이용하여 데이터를 입·출력하는 것과 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 입·출력하는 것들로 구분된다.
입출력 제어방식의 종류
| 제어방식 | CPU 관여 여부 | 특징 |
|---|---|---|
| Program에 의한 I/O | O | 가장 원시적인 방식 |
| Interrupt에 의한 I/O | O | 가장 원시적인 방식 |
| DMA에 의한 I/O | X | 소형컴퓨터에서 이용 |
| Channel에 의한 I/O | X | 대형컴퓨터에서 이용 |
Program에 의한 I/O
Programmed I/O 방식은 원하는 I/O가 완료되었는지의 여부를 검사하기 위해서 CPU가 상태 Flag를 계속 조사하여 I/O가 완료되었으면 메모리 데이터 레지스터(MDR)와 누산기(AC) 사이의 자료전송도 CPU가 직접 처리하는 I/O 방식이다.
- 입·출력에 필요한 대부분의 일을 CPU가 해주므로 인터페이스는 MDR, Flag, 장치번호 디코더로만 구성하면 된다.
- 입출력 작업을 수행할 때 CPU가 입출력 작업에 관여한다.
- I/O 작업 시 CPU는 계속 I/O 작업에 관여해야 하기 때문에 다른 작업을 할 수 없다는 단점이 있다.
Interrupt I/O
Interrupt I/O 방식은 입·출력을 하기 위해 CPU가 계속 Flag를 검사하지 않고, 데이터를 전송할 준비가 되면 입·출력 인터페이스가 CPU에게 인터럽트 신호를 보내 입·출력이 이루어지는 방식이다.
- 입·출력 인터페이스는 CPU에게 인터럽트 신호를 보내 입·출력이 있음을 알린다.
- CPU는 작업을 수행하던 중 입·출력 인터럽트가 발생하면 수행중인 프로그램을 중단하고 입·출력을 처리한 후 원래의 작업으로 돌아와 작업을 계속 수행한다.
- CPU가 계속 Flag를 검사하지 않아도 되기 때문에 Programmed I/O보다 효율적이다.
- 대량의 자료 전송 시 CPU의 부담을 증가시킨다.
DMA(Direct Memory Access)에 의한 I/O
DMA는 입·출력장치가 직접 주기억장치를 접근(Access)하여 Data Block을 입·출력하는 방식으로, 입·출력 전송이 CPU의 레지스터를 경유하지 않고 수행된다.
- CPU는 I/O에 필요한 정보를 DMA 제어기에 알려서 I/O 동작을 개시시킨 후 I/O 동작에 더 이상 간섭하지 않고 다른 프로그램을 할당하여 수행한다.
- DMA 방식은 입·출력 자료 전송 시 CPU를 거치지 않기 때문에 CPU의 부담이 없어 보다 빠른 데이터의 전송이 가능하다.
- DMA는 블록으로 대용량의 데이터를 전송할 수 있다.
- DMA는 Cycle Steal 방식을 이용하여 데이터를 전송한다. (cycle steal: DMA제어기가 한 번에 한 데이터 워드를 전송하고 버스의 제어기를 CPU에게 돌려주는 방법)
- CPU와 DMA 제어기는 메모리와 버스를 공유한다.
- CPU에서는 DMA 제어기에게 입출력 장치의 주소, 주기억장치의 주소, DMA를 시작하는 명령, 입출력 데이터의 양, 입출력 명령을 전송한다.
- DMA는 인터페이스 회로, 주소 레지수터, 워드 카운터 레지스터, 제어 레지스터, 데이터 레지스터로 구성한다.
- 전송 작업을 수행하는 순서는 버스 사용 요청 => 버스 사용 허가 => 데이터 전송 => 인터럽트 순이다.
Cycle steal 구체적 설명
| Interrupt | Cycle Steal |
|---|---|
| 수행하고 있던 Program은 정지되지만, 인터럽트 처리 루틴의 명령을 실행하기 위하여 CPU는 수행 상태에 있게 된다. | CPU가 내부적으로 명령어를 해독하거나 연산을 수행하는 등 시스템 버스를 사용하지 않는 시간 동안에만 시스템 버스를 사용하기 때문에 CPU는 메모리 참조가 필요 없는 오퍼레이션을 계속 수행할 수 있지만 주기억장치에 접근할 수는 없다. |
| 주기억장치 사이클이 정지되지 않는다. | 주기억장치 사이클의 한 주기가 정지된다. |
| CPU의 상태 보존이 필요하다. | CPU의 상태 보존이 필요 없다. |
◈ 데이터 채널(DMA 제어기)과 CPU가 주기억장치를 동시에 Access할 때 우선순위를 데이터 채널에게 주는 방식이다.
◈ Cycle Steal은 한 번에 한 데이터 워드를 전송하고 버스의 제어를 CPU에게 돌려준다.
◈ Cycle Steal을 이용하면 입·출력 자료의 전송을 빠르게 처리해 주는 장점이 있다.
◈ Cycle Steal 시 중앙처리장치는 메모리 참조가 필요 없는 오퍼레이션을 계속 수행한다.
Channel에 의한 I/O
Channel은 I/O를 위한 특별한 명령어를 I/O 프로세서에게 수행토록 하여 CPU 관여 없이 주기억장치와 입·출력장치 사이에서 입·출력을 제어하는 입·출력 전용 프로세서(IOP)이다. DMA 제어기의 한계를 극복하기 위하여 고안된 방식이다. 채널은 DMA 방법으로 입·출력을 수행하므로 DMA의 확장된 개념으로 볼 수 있다.
- 채널 제어기는 채널 명령어로 작성된 채널 프로그램을 해독하고 실행하여 입·출력동작을 처리한다.
- 채널은 CPU로부터 입·출력 전송을 위한 명령어를 받으면 CPU와는 독립적으로 동작하여 입·출력을 완료한다.
- 채널은 주기억장치에 기억되어 있는 채널 프로그램의 수행과 자료의 전송을 위하여 주기억장치에 직접 접근한다.
- I/O 장치는 제어장치를 통해 채널과 연결된다.
- I/O 채널은 CPU의 I/O 명령을 수행하지 않고 I/O 채널 내의 특수목적 명령을 수행한다.
채널은 CPU와 인터럽트로 통신한다.
