입출력장치

01. 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러

• 입출력장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다롭다 왜일까 ?

입출력장치에는 종류가 너무나도 많다

• 키보드, 모니터, USB메모리, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등 ..
• 다양한 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등도 다양하다.
• 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.

일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다

• 전송률(transfer rate) : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
  • 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치 간의 통신을 어렵게한다.
• 이러한 이유로 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결한다.
  • 입출력 제어기(I/O controller), 입출력 모듈(I/O module) 등으로 다양하게 불린다.

• 모든 입출력 장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받는다.
• 장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력장치와 연결되어 있다.

앞서 문제들의 해결법

1. CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
2. 오류 검출
3. 데이터 버퍼링

❗️ 장치컨트롤러가 이러한 문제를 해결한다.

• 데이터 버퍼링
  • 버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장해 전송률을 비슷하게 맞추는 방법
  • '버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법'
  • 즉, 장치 컨트롤러는 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 일반적으로 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화한다.

• 데이터 레지스터
  • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터
  • 데이터 버퍼링으로 전송률 차이를 완화하는 그 버퍼 역할을 하는 레지스터이다.
  • 데이터가 많은 입출력장치에서는 대신 RAM을 사용하기도 한다.
• 상태 레지스터
  • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장되는 레지스터
• 제어 레지스터
  • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

장치 드라이버

• 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램이다.
• 실행과정에서 메모리에 저장된다.
• 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로라면, 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로이다.

• 컴퓨터가 연결된 장치의 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면, 어떤 회사, 제품, 생김새와 상관없이 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있다.
• 반대로 인식하거나 실행할 수 없는 상태라면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 없다.

• 장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체는 윈도우, macOS와 같은 운영체제이다.
• 즉, 운영체제가 장치 드라이버를 인식하고 실행할 수 있다면 그 장치는 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있다. 장치 제작자가 따로 제공해야한다면 입출력장치는 해당 드라이버를 직접 설치해야 사용이 가능하다.

02. 다양한 입출력 방법

• 장치 컨트롤러는 CPU와 어떻게 정보를 주고받을까 ?

프로그램 입출력 (programmed I/O)

• 프로그램 속 명령어로 입출력 장치를 제어하는 방법이다.
• CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면, CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.

메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 상황이라면 ?

1. '하드 디스크에 새로운 정보를 쓴다'는 말과 같다.
   우선 CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인한다.
   하드 디스크가 준비된 상태라면? 하드 디스크 컨트롤러는 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다.
3. 
   3-1. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인한다.
   3-2. 하드 디스크가 준비됐음을 CPU가 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.
   

• 아직 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면, 01번부터 반복한다.
• 쓰기가 끝났다면 작업을 종료한다.

CPU는 입출력장치들의 주소를 어떻게 알까 ?
즉, CPU는 장치 컨트롤러의 레지스터들을 어떻게 알까 ?

• 프린트 컨트롤러의 상태 레지스터를 읽어라.
• 프린트 컨트롤러의 데이터 레지스터에 100을 써라.
• 키보드 컨트롤러의 상태 레지스터를 읽어라.
• 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터에 'a'를 써라.

두가지 방식이 있다.

메모리 앱 입출력

• 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다.

고립형 입출력

• 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다.

인터럽트 기반 입출력

• CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다.
• 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

입출력장치가 많을 때는 ?
ex) 글을 쓰며, 노래를 듣고, 영상을 보고

• 인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법
  • ex) 인터럽트 A를 처리하는 도중 발생한 또 다른 인터럽트 B의 요청을 받아들이지 않고, 인터럽트 A 서비스 루틴이 끝난 후에 인터럽트 B 서비스 루틴을 실행시키는 것.
• 현실적으로 모든 인터럽트를 전부 순차적으로만 해결할 수 없는데 즉, CPU는 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 순으로 여러 인터럽트를 처리할 수 있다.
• 플래그 레지스터 속 인터럽스 비트가 활성화되어 있는 경우, 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMi(Non-Maskable Interrupt)가 발 생한 경우 높은 우선순위로 처리한다.

플그래머블 인터럽트 컨트롤러 (PIC : Programmable Interrupt Controller)

• 하드웨어이다.
• 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤, CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치이다.'

PIC의 다중 인터럽트 처리 과정

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호를 받아들인다.
2. PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤, CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청신호를 보낸다.
3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다.
5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

• 여러 개의 PIC를 사용하면 훨신 더 많은 하드웨어 인터럽트를 관리할 수 있다.

DMA 입출력

• 프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력에 공통점은 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동의 CPU가 주도하고, 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다는 점이다.

• 입출력장치 데이터를 메모리에 저장하는 경우
  • CPU는 장치 컨트롤러에서 입출력장치 데이터를 하나씩 읽어 레지스터에 적재한다.
  • 적재한 데이터를 메모리에 저장한다.
• 메모리 속 데이터를 입출력장치에 내보내는 경우
  • CPU는 메모리에서 데이터를 하나씩 읽어 레지스터에 적재한다.
  • 적재한 데이터를 하나씩 입출력장치에 내보낸다.

CPU에 부담이 가지 않도록 거치지 않고 상호작용할 수 있는 입출력 방식이 DMA : Direct Memory Access 이다.
직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능이다. DMA 입출력을 하기 위해서 시스템 버스에 연결된 DMA컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.

DMA입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 하드 디스크 주소, 수행할 연산(쓰기), 백업할 내용이 저장된 메모리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령한다.

2. (DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 상호작용하며 백업할 정보를 읽어오고) 이를 하드 디스크의 장치 컨트롤러에 내보낸다.

3. 백업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인턻트를 걸어 작업이 끝났을을 알린다.

• CPU는 오로지 입출력의 시작과 끝에만 관여하면 된다.
• DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근이 가능하지만, 시스템 버스는 동시 사용이 불가능하다.
  • 공용 자원이기 때문이다.

• 그럴 때는
  • DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 안을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나,
  • CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용한다.

입출력 버스

DMA 입출력 과정에서 한 번 메모리에 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 사용하는 단점 또는 문제가 있다.

• DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결해 해결할 수 있다.
• 장치 컨트롤러들이 시스템 버스가 아닌 입출력 버스로 DMA 컨트롤러에 연결된다면 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러가 서로 데이터를 전송할 때는 시스템 버스를 이용할 필요가 없으므로 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있다.

• 대부분의 입출력(장치 컨트롤러)장치는 입출력 버스와 연결된다.
  • 입출력 버스에는 PCI (Peripheral Component Interconnect)버스, PCI Express(PCIe)버스 등의 여러 종류가 있다.
  • 거의 모든 입출력장치들은 입출력 버스와 연결되는 통로를 통해 시스템 버스를 타고 CPU와 정보를 주고 받는다.