⚙️ 장치 컨트롤러와 장치 드라이버
🕹️ 장치 컨트롤러
장치 컨트롤러는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 어렵다!
1. 종류가 너무 많다!
장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양 → 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기가 어렵다!
2. CPU와 메모리의 데이터 전송률과 입출력 장치의 데이터 전송률의 차이
전송률 = 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다!
➡️ 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해서 연결된다!
모든 입출력장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해서 컴퓨터 내부와 정보를 주고받고, 장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력장치와 연결이 되어 있다!
(입출력 제어기, 입출력 모듈 등으로 다양하게 불리기도 한다)
🔄 장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
데이터 버퍼링이란?
버퍼링이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장해서 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
데이터 버퍼링 = 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법
➡️ 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 일반적으로 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화하는 것!
➰ 장치 컨트롤러의 내부 구조
- 데이터 레지스터 - CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터 (버퍼 역할... 최근에는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 한다)
- 상태 레지스터 - 상태 정보가 저장된다 (입출력 작업 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 오류는 없는지 등의 상태)
- 제어 레지스터 - 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장
➡️ 레지스터에 담긴 값들이 버스를 타고 CPU나 다른 입출력 장치로 전달되거나, 장치 컨트롤러에 연결된 입출력장치로 전달된다
🪛 장치 드라이버
새로운 장치를 컴퓨터에 연결하기 위해서는 장치 드라이버를 설치해야 한다!
장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
프로그램이기 때문에 실행 과정에서 메모리에 저장이 된다!
✔️ 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로라면장치
✔️ 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로다!
컴퓨터가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면! 어떤 회사에서 만든 것이든, 생김새가 어떻든지간에 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있다!
반대로 장치 드라이버를 인식하거나 실행할 수 없는 상태라면 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 없다!
장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체
윈도우, macOS와 같은 운영체제! 장치 드라이버는 운영체제가 기본으로 제공하는 것도 있지만, 장치 제작자가 따로 제공하기도 한다!
⚙️ 다양한 입출력 방법
🔎 프로그램 입출력
기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다
➡️ 프로그램 입출력 방식에서 입출력 작업은 CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다
하지만 CPU는 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터들을 모두 알기 어렵다... 그렇다면 어떻게 메모리에 저장되어 있을까?!
📍 메모리 맵 입출력
메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
- CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 대하면 된다
→ 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다
📍 고립형 입출력
메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
- CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용
🔎 인터럽트 기반 입출력
장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다
- 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생한다
CPU가 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령 → 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행 - 그동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다!
여러 입출력장치에서 인터럽트가 동시에 발생한다면?!
🔁 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법
플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성한 채 인터럽트를 처리한다
다른 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않기 때문에 CPU가 순차적으로 하드웨어 인터럽트를 처리할 수 있다
하지만 현실적으로 모든 인터럽트를 전부 순차적으로만 해결할 수는 없다!
🔀 우선순위가 높은 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법
플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우에는 CPU가 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다
➡️ 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC)라는 하드웨어를 사용한다
- 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별 → CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지 알려준다
PIC가 인터럽트를 처리하는 과정
PIC에 연결된 장치 컨트롤러들이 동시에 하드웨어 인터럽트 요청을 보내면 PIC는 이들의 우선순위를 판단하여 CPU에 가장 먼저 처리할 인터럽트를 알려준다
- PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)를 받아들인다
- PIC는 인터럽트 우선 순위를 판단한 후 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보낸다
- CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다
- PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다
- CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다
보통은 PIC를 두 개 이상의 계층적으로 구성한다
- PIC가 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI까지 우선순위를 판별하지는 않는다
- PIC가 우선순위를 조정해주는 인터럽트는 인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트이다!
프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력의 공통점
→ 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다
→ 모든 데이터가 반드시 CPU를 거치는 것은 CPU의 부담을 크게 만든다
🔎 DMA 입출력
입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식 (Direct Memory Access)
✔️ 이름 그대로 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능
✔️ 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다
〰️ DMA 입출력 과정
- CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령
- DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행 (이때 DMA 컨트롤러는 피룡한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다)
- 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트럴 걸어 작업이 끝났음을 알린다
입출력장치와 메모리 사이에 주고받을 데이터는 CPU를 거치지 않는다! ➡️ 작업 부담이 훨씬 줄어든다 (CPU는 입출력으 시작과 끝에만 관여한다)
⚠️ DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근이 가능하지만 시스템 버스는 동시에 사용이 불가능하다는 단점이 있다! (공용 자원이기 때문)
〰️ CPU가 시스템 버스를 이요하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나
〰️ 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용한다 (사이클 스틸링)
➿ 입출력 버스
DMA를 위해 시스템 버스를 너무 자주 사용하게 되면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다!
➡️ 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있다!
장치 컨트롤러들이 시스템 버스가 아닌 입출력 버스로 DMA 컨트롤러에 연결된다면 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러가 서로 데이터를 전송할 때 시스템 버스를 이용할 필요가 없다
→ 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있다!
✔️ 대부분의 입출력장치 (장치 컨트롤러)는 시스템 버스가 아닌 입출력 버스와 연결된다
〰️ 입출력장치를 컴퓨터 내부와 연결 짓는 통로
〰️ PCI 버스, PCI Express(PCle) 버스 등 여러 종류가 있음
