입출력 장치

입출력 장치 장치 컨트롤러와 장치 드라이버 스피커, 모니터, 키보드, 마우스 등과 같은 입출력장치와 외장 하드 디스크나 USB 메모리 등 보조 기억장치가 어떻게 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는 지 알아보자.

장치 컨트롤러(device controller) 입출력 장치는 종류가 다양해 규격화하기 어렵고, 데이터 전송률이 낮기 때문에 CPU, 메모리보다 다루기가 까다롭다.

이와 같은 이유로, 입출력장치는 입출력 제어기(I/O controller), 입출력 모듈(I/O module) 등으로 불리는 장치 컨트롤러를 통하여 컴퓨터 내부와 연결된다.

장치 컨트롤러는 CPU와 입출력장치 간의 통신 중개, 오류 검출, 데이터 버퍼링등의 역할을 한다.

데이터 버퍼링은 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법이다.

장치 컨트롤러의 구조

데이터 레지스터는 CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터이다. 앞서 말한 버퍼 역할을 한다. 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 한다.

상태 레지스터는 입출력장치가 입출력 작업을 한 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장된다.

제어 레지스터는 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

장치 드라이버(device driver) 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어하는 프로그램이다. 운영체제가 장치 드라이버를 인식하고 실행한다.

장치 컨트롤러는 하드웨어, 장치 드라이버는 소프트웨어

장치 컨트롤러를 통해 연결된 입출력 장치의 사용법을 메모리(장치 드라이버)가 알려준다.

8.2 다양한 입출력 방법 3가지 입출력 방법에 대해 알아보자.

프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력이 있다.

프로그램 입출력(programmed I/O) 프로그램 속 명령어로 입출력 장치를 제어하는 방법이다. 입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용한다.

메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업 하는 과정을 살펴보자.

CPU는 하드디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인하고, 준비된 상태라면 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽으며 하드 디스크의 준비여부를 확인하는데, 하드 디스크가 준비가 됐음을 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다. 백업 작업이 완료 될 때 까지 1~3을 반복한다.

정리하자면, CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 쓰는 것이다.

그렇다면 CPU는 여러 장치 컨트롤러 내부의 레지스터들과 어떻게 소통할 수 있는 것일까?

프로그램 입출력 방식에는 메모리 맵 입출력과 고립형 입출력 방식이 있다.

메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다. 통일된 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어를 사용하게 된다.

고립형 입출력(isolated I/O)은 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다. 서로 다른 버스를 이용하기 때문에, 독립된 명령어를 사용하게 된다.

인터럽트 기반 입출력 장치 컨트롤러가 CPU에 인터럽트가 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽스 서비스 루틴을 실행한다.

동시다발적인 인터럽트가 발생했을 때 어떻게 처리하는지 알아보자.

순차적으로 처리하는 방법, 우선순위를 반영한 처리 방법이 있다.

현실적으로 순차적으로 처리하는 방법은 불가능하기 때문에, 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화 되어있거나 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskalbe Interrupt)가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.

우선순위를 반영한 처리방법은 주로 PIC(Programmable Interrupt Controller, 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러)라는 하드웨어를 사용한다.

PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트를 알려준다.

DMA 입출력(Direct Memory Access I/O) 위의 두 방식은 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다는 공통점을 갖는다.

입출력장치를 위한 연산을 CPU가 처리하게 되므로 CPU 부담이 커진다. 이를 개선한 입출력 장치의 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용 할 수 있는 DMA방식이 등장했다.

이름 그대로 장치 컨트롤러가 메모리에 직접 접근할 수 있는 입출력 기능이다. 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.

CPU는 DMA컨트롤러에 입출력 작업을 명령하면, DMA 컨트롤러는 CPU를 대신하여 장치 컨트롤러와 상호작용한다. 작업이 끝나게 되면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알리게 된다.

결국 CPU는 입출력 작업과 끝만 관여하게 된다.

하지만 시스템 버스는 공용자원이기 때문에, CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 접근이 불가능하다. DMA의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링(cycle stealing)이라고 한다.

마지막으로 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러의 연결 방식과 입출력 버스에 대해 알아보자.

장치 컨트롤러가 시스템 버스에 직접 연결되면, DMA 과정에서 시스템 버스를 2번 이용하게 된다. 즉 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못하는 상황이 자주 발생한다는 뜻이다.

DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스(input/output bus)라는 별도의 버스에 연결하여 이를 해결 할 수 있다.

입출력 버스의 종류에는 PCI(Peripheral Component Interconnect)버스, PCI Express(PCIe) 버스가 있다.

현재는 입출력 전용 프로세서 (입출력 채널)를 탑재하기도 한다.