<학습목표>
- 장치 컨트롤러에 대해 이해한다.
- 장치 드라이버에 대해 이해한다.
- 프로그램 입출력 방식이 무언인지 이해한다.
- 인터럽트 기반의 입출력 방식을 이해한다.
- DMA 입출력 방식을 이해한다.
🎇 장치 컨트롤러와 장치 드라이버
🔗 장치 컨트롤러
◼ 입출력장치의 종류가 너무 많음 ➡ 다양한 입출력장치와 정보를 주고 받는 방식을 규격화하기 어려움
◼ 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮음 ➡ 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치 간의 통신을 어렵게 함
전송률: 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
⭐ 위와 같은 이유로 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결 되지 않고, 장치 컨트롤러 (입출력 제어기, 입출력 모듈)라는 하드웨어를 통해 연결됨
⚙ 장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
-
입출력장치의 많은 종류로 인한
규격화어려움 해결, 동시에 입출력장치에 발생한 오류 여부 검출 -
데이터 버퍼링을 통해 전송률 차이를 완화 ➡버퍼(buffer)라는 임시 저장 공간에 주고 받는 데이터를 저장하여전송률을 비슷하게 만드는 방법
⚙ 장치 컨트롤러의 내부 구조
- 데이터 레지스터
- 상태 레지스터
- 제어 레지스터
| 장치 컨트롤러의 내부구조 | |
|---|---|
| 데이터 레지스터 | CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터. 버퍼 역할을 함. 주고 받는 데이터가 많은 입출력 장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 함 |
| 상태 레지스터 | 입출력장치의 상태 정보가 저장됨 |
| 제어 레지스터 | 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장 |
🔗 장치 드라이버
◼ 새로운 장치를 컴퓨터에 연결하려면 장치 드라이버를 설치해야함
장치 드라이버(device driver)란 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한하드웨어적 통로라면,장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한소프트웨어적 통로
🎇 다양한 입출력 방법
🔍장치 컨트롤러는 CPU와 어떻게 정보를 주고 받나?
- 프로그램 입출력
- 인터럽트 기반 입출력
- DMA 입출력
🔗 프로그램 입출력 (programmed I/O)
기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
프로그램 입출력 방식에서의 입출력 작업은CPU가장치 컨트롤러의레지스터 값을 읽고 씀으로써 이뤄짐
◼ CPU가 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터들을 어떻게 접근하나?
- 메모리 맵 입출력
- 고립형 입출력
🔗 메모리 맵 입출력 (memory-mapped I/O)
메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
메모리 맵 주소 입출력 방식에서는 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어가 같음
🔗 고립형 입출력 (isolated I/O)
메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
고립형 입출력 방식에서 CPU는 입출력 장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용함
🔗 인터럽트 기반 입출력
입출력 장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 정확히 말하면 장치 컨트롤러에 의해 발생함
- CPU가 장치 컨트롤러에게 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력 장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일 수행 가능
🔍 여러 입출력 장치에서 동시다발적으로 발생하면 어떻게 처리하나?
- 인터럽트가 발생한 순서대로 처리한다.
플래그 레지스터속인터럽트 비트를 비활성화하면 인터럽트 처리 도중 다른 인터럽트를 받지 않으므로 순차적 처리 가능
- 우선순위대로 처리한다.
- 플래그 레지스터 속
인터럽트 비트가 활성화되어있거나, 비활성화 되어 있더라도NMI가 발생한 경우, CPU는 우선순위가 높은 인터럽트 먼저 수행함NMI (Non-Maskable Interrupt): 인터럽트 비트가 비활성화되어 있어도 무시할 수 없는 인터럽트
- 플래그 레지스터 속
➡ 다중 인터럽트를 처리하는 방법
프로그래머블 인터럽트 컨트롤러 (PIC) 라는 하드웨어 사용
PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연ㄴ결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에게 알려주는 장치임
- 이때 NMI까지 우선순위를 판별하지는 않음 ➡ NMI는 우선순위가 가장 높아 순위 판별이 불필요
🔗 DMA (Diredct Memory Access) 입출력
입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고 상호작용 할 수 있는 입출력 방식
프로그램 기반 입출력과인터럽트 기반 입출력은 모두 입출력 장치와 메모리 간의 데이터 이동은CPU가 주도하고, 이동하는 데이터는 반드시CPU를 거친다.
<입출력장치 데이터를 메모리에 저장하는 경우>
<메모리 속 데이터를 입출력장치에 내보내는 경우>
DMA 입출력 방식을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요함
<CPU가 DMA 컨트롤러에 입출력 작업 명령>
<DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 상호작용 후 데이터를 장치 컨트롤러에 보냄>
<작업 완료 후 DMA는 CPU에게 인터럽트를 걸어 작업 완료를 알림>
➡ DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근이 가능하지만, 시스템 버스는 동시 사용이 불가능 (∵ 시스템 버스는 공유 자원)
- 따라서
DMA 컨트롤러는CPU가시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 이용하거나,CPU의시스템 버스이용을 일시적으로 제한한 뒤 사용함
🔗 입출력 버스
DMA 컨트롤러와장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여CPU의 시스템 버스 이용 제한 문제 완화
