Last update: @1/7/2023
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장치 컨트롤러가 CPU와 정보를 주고받는 방법
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프로그램 입출력(programmed I/O)
: 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법. CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행함
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메모리에 저장된 정보를 하드디스크에 백업하는 예시
1.
CPU는 하드디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보냄
2.
하드디스크 컨트롤러는 하드디스크의 상태를 확인함. 하드디스크가 준비된 상태라면 하드디스크 컨트롤러는 상태 제스터에 준비되었다고 표시함
3.
CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 확인하고, 준비가 됐음을 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 씀. 백업(쓰기) 작업이 끝나지 않았다면 1번부터 반복하고 쓰기가 끝났다면 작업을 종료함
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CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터를 아는 방법
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메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)
: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
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이때 중요한 점은 메모리 맵 입출력 방식에서 CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 된다는 점임
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따라서 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없음
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대신 메모리가 축소됨
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고립형 입출력(isolated I/O)
: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
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입출력장치를 위한 제어 버스를 별도로 둬서 같은 주소도 메모리와 입출력 제어창치 두 곳에 할당할 수 있음
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고립형 입출력 방식에서 CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른(입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 명령어를 사용합
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인터럽트 기반 입출력(Interuupt-Driven I/O)
: 인터럽트를 기반으로 하는 입출력
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CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 수행함
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장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을
잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행함
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비교되는 개념으로 폴링(polling)이 있는데, CPU가 입출력장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식으로, CPU의 부담이 큼
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인터럽트가 동시에 발생한 경우
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인터럽트가 발생한 순서대로 처리하는 방법
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CPU가 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우 다른 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않기 때문에 CPU는 이렇듯 순차적으로 하드웨어 인터럽트를 처리하게 됨
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우선순위가 높은 인터럽트를 먼저 처리하는 방법
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플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우, 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리함
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우선순위를 반영하여 다중 인터럽트를 처리하는 방법 중 하나가 PIC
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프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC; Programmable Interrupt Controller)
: 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치
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PIC에는 위 그림처럼 여러 핀이 있는데, 각 핀에는 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는약속된 하드웨어가 연결되어 있음
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PIC에 연결된 장치 컨트롤러들이 동시에 하드웨어 인터럽트 요청을 보내면 PIC는 이들의 우선순위를 판단하여 CPU에 가장 먼저 처리할 인터럽트를 알려줌
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PIC의 다중 인터럽트 처리 과정
1.
PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)를 받아들임
2.
PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보냄
3.
CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보냄
4.
PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보냄
5.
CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행함
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일반적으로 더 많고 복잡한 장치들의 인럽트를 관리하기 위해 PIC를 두 개 이상 계층적으로 구성함
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PIC가 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI까지 우선순위를 판별하지는 않음
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NMI는 우선순위가 가장 높아 우선순위 판별이 불필요하기 때문임
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PIC가 우선순위를 조정해 주는 인터럽트는 인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트임
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DMA 입출력(Direct Memory Access I/O)
: 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식
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DMA는 이름 그대로 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능
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DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요함
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DMA 입출력 과정
1.
CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주
소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령함
2.
DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행함. 이때
DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 씀
3.
입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림
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DMA 입출력 예시 - 메모리의 정보를 하드디스크에 백업
1.
CPU01는 DMA 컨트롤러에 하드 디스크 주소, 수행할 연산(쓰기), 백업할 내용이 저장된 메모
리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령함
2.
DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 상호작용하며 백업할 정보를 읽어오
고, 이를 하드 디스크의 장치 컨트롤러에 내보냄
3.
백업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림
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시스템 버스 동시 사용 문제
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CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트
롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음
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그래서 DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용함
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CPU 입장에서는 마치 버스에 접근하는 주기를 도둑 맞는 기분이 들 것임. 그래서 이러한 DMA의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링(cycle stealing)이라고 부름
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입출력 버스
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CPU, 메모리, DMA 컨트롤러, 장치 컨트롤러가 모두 같은 버스를 공유하는 구성에서는 DMA를 위해 한 번 메모리에 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 사용하게 되는 부작용이 있음
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DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스(input/output bus)라는 별도의 버스에 연
결하여 해결할 수 있음
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현대 대부분의 컴퓨터는 입출력 버스가 있음
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종류
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PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스
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PCI Express(PCIe) 버스 등
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입출력 채널
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최근에는 메모리에 직접 접근할 뿐만 아니라 입출력 명령어를 직접 인출하고, 해석하고, 실행까지 하는 일종의 입출력 전용 CPU가 만들어졌는데, 이를 입출력 프로세서(IOP; Input/Output Processor) 혹은 입출력 채널(Input/Output Channel)이라고 부름
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실제로 일부 최신 입출력장치 내부에는 별도의 CPU가 포함되어 있는 걸 볼 수 있음
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입출력 채널이 있는 컴퓨터에서는 CPU가 입출력 채널에게 메모리에 저장된 특정 입출력 명령어를 수행하라고 지시하면, 입출력 채널은 해당 입출력 명령어를 인출하고, 해석하고, 실행한 뒤, 인터럽트를 통해 결과를 CPU에게 알림