혼공 컴+운 chapter 8. 입출력장치

8-1. 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

장치 컨트롤러

입출력장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다롭다.

1. 입출력장치에는 종류가 너무나도 많다. : 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기가 어렵다.

2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다. CPU나 메모리와 전송률이 비슷하지 않기 때문에 통신이 어렵다. 

• 이런 이유로 입출력장치는 컴퓨터에 직접연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결. 
• 입출력제어기, 입출력 모듈 등올 불린다. 
• CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
• 오류검출
• 데이터 버퍼링
  • 버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하기 맞추는 방법. 
• 장치 컨트롤러의 내부 구조
  •  

• 데이터 레지스터 : CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터. 데이터 레지스터가 버퍼 역할을 한다. 
• 상태 레지스터 : 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장.
• 제어 레지스터 : 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장. 

장치 드라이버

• 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수  있게 하는 프로그램.
• 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적인 통로이면, 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로. 

8-2. 다양한 입출력 방법

프로그램 입출력

- 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법. 

1. '메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업한다' -> '하드 디스크에 새로운 정보를 쓴다'. 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 표시.
3. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인. 하드 디스크가 준비됐음을 CPU가 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다. 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 01번부터 반복하고, 쓰기가 끝났다면 작업을 종료. 

- 프로그램 입출력 방식에서의 입출력 작업은 CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다.

• 메모리 맵 입출력 : 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법. 
• 고립형 입출력 : 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법. 

메모리 맵 입출력	고립형 입출력
메모리와 입출력장치는 같은 주소 공간 사용	메모리와 입출력장치는 분리된 주소 공간 사용
메모리 주소 공간이 축소됨	메모리 주소 공간이 축소되지 않음
메모리와 입출력 장치에 같은 명령어 사용 가능	입출력 전용 명령어 사용

인터럽트 기반 입출력

- 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생.

- 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행. 

* 폴링 : 입출력장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식. 

• 인터럽트 동시발생 -> 인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리. 하지만 항상 그렇지 못하다.
  • "우선순위" 고려. 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우, 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 철.
  • 우선순위를 반영방법 : PIC 하드웨어 사용. 
    • PIC : 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치. 
    • PIC는 여러 핀이 있는데 각 핀에는 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있다. 
      
      1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청신호를 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 실행. 

DMA 입출력

- 입출력장치와 메모리 사이에 전송되는 모든 데이터가 반드시 CPU를 거쳐야 한다면 입출력장치를 위한 연산 때문에 시간을 뺏기게 된다.

• DMA : 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식. 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능. 
• 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어 필요. 
• DMA 입출력 과정
  1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령
  2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행. 이때, DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
  3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
• 메모리내의 정보를 하드 디스크에 백업하는 작업이 DMA 입출력으로 이루어지는 과정
  1. CPU는 DMA 컨트롤러에 하드 디스크 주소, 수행할 연산(쓰기), 백업할 내용이 저장된 메모리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령
  2. DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 상호작용하며 백업할 정보를 읽어오고, 이를 하드 디스크의 장치 컨트롤러에 내보낸다.
  3. 백업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다. 
• DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용. 

입출력 버스

- DMA를 위해 한 번 메모리에 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 사용하게 되는 부작용이 있다. 

- 메모리에서 DMA 컨트롤러로 데이터를 가져오기 위해 시스템 버스를 한 번 사용 -> DMA 컨트롤러의 데이터를 장치 컨트롤러로 옮기기 위해 시스템 버스를 또 한 번 사용. 

• DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결. 
• PCI 버스, PCI Express 버스 등 여러 종류가 있다.