장치 컨트롤러와 장치 드라이버
장치 컨트롤러
입출력장치가 CPU, 메모리보다 다루기 어려운 이유
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입출력장치의 종류가 너무 많다.
장치가 다양하면 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등이 다양하다.
다양한 입출력장치와 정보를 주고 받는 방식을 규격화하기가 어렵다. -
일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.
전송률은 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표이다.
CPU와 입출력장치는 전송률의 차이가 커서 통신이 어렵다.
입출력장치가 CPU나 메모리보다 전송률이 높은 경우도 있지만, 전송률이 비슷하지 않아서 어려움을 겪게 됩니다.
따라서 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결됩니다.
장치 컨트롤러는 입출력 제어기, 입출력 모듈 등으로도 불립니다.
모든 입출력장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받습니다.
장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력장치와 연결되어 있습니다.
장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
버퍼링: 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고 받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
장치 컨트롤러의 간략화된 내부 구조
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데이터 레지스터
: CPU와 입출력장치 사이에주고받을 데이터가 담기는 레지스터
데이터 레지스터가 버퍼 역할을 합니다. -
상태 레지스터
: 입출력장치가 입출력작업을 할 준비가 되었는지, 입출력장치에오류는 없는지등의 상태 정보가 담기는 레지스터 -
제어 레지스터
: 입출력장치가수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장하는 레지스터
장치 드라이버
새로운 장치를 컴퓨터에 연결하려면 장치 드라이버를 설치해야 한다.
장치 드라이버
: 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다. 프로그램이기 때문에 당연히 실행 과정에서 메모리에 저장된다.
다양한 입출력 방법
🤔 장치 컨트롤러는 CPU와 어떻게 정보를 주고 받을까?
프로그램 입출력
: 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
메모리에 저장된 정보를 하드디스크에 백업한다고 가정해봅시다!
- CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.
- 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크의 상태를 확인하고, 하드 디스크가 준비된 상태라면 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다.
- CPU는 주기적으로 상태 레지스터를 읽으면서 준비 여부를 확인한다. 준비가 된 것을 확인하면 백업할 메모리 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.
CPU가 장치 컨트롤러 레지스터들을 모두 알고 있는 것은 어렵다.
이를 위한 방법이 두가지가 있다.
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메모리 맵 입출력
: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
CPU는 메모리의 주소나 장치 컨트롤러의 레지스터나 똑같이 메모리 주소를 대하듯 한다. -
고립형 입출력
: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
메모리용과 입출력장치용 선이 따로 있어서 입출력장치 선이 활성화되는 명령어를 실행할 때 장치 컨트롤러에 접근한다.
인터럽트 기반 입출력
CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있습니다.
그리고, 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 인터럽트 요청을 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
만약, 여러 입출력장치에서 인터럽트가 동시에 발생하면 어떻게 처리할까?
➡️ 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 처리한다.
많은 컴퓨터에서는 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC)라는 하드웨어로 다중 인터럽트를 처리한다.
여러 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별해 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 알려준다.
각각의 핀에는 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 하드웨어가 연결되어 있다.
DMA 입출력
: 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식
DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.
CPU는 입출력의 시작과 끝에만 관여하면 된다.
- 입출력 버스
시스템 버스를 너무 자주 사용하면 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다.
따라서 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 사용한다.
