[컴퓨터 구조] 8. 입출력장치
[컴퓨터 구조] 8. 입출력장치
Chapter8 입출력장치
8-1 장치 컨트롤러와 장치 드라이버
장치 컨트롤러
- 입출력 장치는 CPU, 메모리보다 다루기가 더 까다로움 → 이유는?
- 입출력 장치에는 종류가 너무나도 많음
- 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력 장치의 데이터 전송률은 낮음
- 전송률은 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표
- 위와 같은 이유로 입출력 장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결
- 장치 컨트롤러는 입출력 제어기, 입출력 모듈이라고 부르기도 함
- 장치 컨트롤러의 역할
- CPU와 입출력 장치 간의 통신 중계
- 요류 검출
- 데이터 버퍼링
- 버퍼링 : 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방식
- 데이터 레지스터 : CPU와 입출력 장치 사이에 주고받을 데이터가 남기는 레지스터
- 상태 레지스터 : 입출력 장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력 장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보를 저장
- 제어 레지스터 : 입출력 장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장
장치 드라이버
- 장치 드라이버 : 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
8-2 다양한 입출력 방법
프로그램 입출력
- 프로그램 입출력 : 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력 장치를 제어하는 방법
- 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 과정
- CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보냄
- 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크의 상태를 확인
- CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인
- 하드 디스크가 준비됐을을 CPU가 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 레지스터에 씀
- CPU는 장치 컨트롤러의 레지스터들을 어떻게 아는 것일까?
- 메모리 맵 입출력 : 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
- 고립형 입출력 : 메모리를 위한 주소 공간과 입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
인터럽트 기반 입출력
- 인터럽트 기반 입출력 : 인터럽트를 기반으로 하는 입출력
- 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행
- 폴링 : 입출력 장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식
- 인터럽트가 동시에 발생한 경우는?
- 인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법
- 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 처러하는 방법
- PIC(프로그래머블 인터럽트 컨트롤러) : 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치
- PIC의 다중 인터럽트 처리 과정
- 일반적으로는 PIC를 두개 이상의 계층적으로 구성 → 더 많고 복잡한 장치들의 인터럽트를 관리하기 위해
- PIC가 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI까지 우선순위를 판별하지는 않음
DMA 입출력
- DMA : 입출력 장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식
- DMA 입출력 과정
- CPU는 DMA 컨트롤러에 하드 디스크 주소, 수행할 연산(쓰기), 백업할 내용이 저장된 메모리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령
- DMA 컨트롤러는 CPU를 거치치 않고 메모리와 직접 상호작용하며 백업할 정보를 읽어오고, 이를 하드 디스크의 장치 컨트롤러에 내보냄
- 백업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림
- CPU와 DMA 컨트롤러 모두 시스템 버스를 사용(시스템 버스는 동시 사용이 불가능)
- 입출력 버스 : 입출력 장치와 컴퓨터 내부를 연결 짓는 통로 → 입출력 작업 과정에서 시스템 버스 사용 횟수를 줄여줌
- 현재 대부분의 컴퓨터에는 입출력 버스가 있음
혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제를 통해 진행한 스터디를 정리한 내용입니다.
문제가 될시에는 수정 혹은 삭제하겠습니다.
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