[3주차] Chapter 08. 장치 컨트롤러, 장치 드라이버, 다양한 입출력 방법

Chapter 08 입출력장치

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08-1 장치 컨트롤러와 장치 드라이버 

1. 장치 컨트롤러

① 장치 컨트롤러(device controller)

 -입출력장치의 종류가 다양하여 정보를 주고받는 방식을 규격화할 수 없고, CPU와 전송률(transfer rate, 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지를 나타내는 지표)이 비슷하지 않아 통신이 어렵기 때문에 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러를 통해 연결된다.
 -입출력 제어기(I/O controller), 입출력 모듈(I/O module) 등 다양하게 불린다.
 -장치 컨트롤러의 역할 : CPU와 입출력장치 간의 통신 중개, 오류 검출, 데이터 버퍼링  

 
② 데이터 버퍼링

 -버퍼링(buffering) : 전송률에 차이가 나는 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼(buffer)라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

 
③ 장치 컨트롤러의 내부 구조 

 -데이터 레지스터(data register) : CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터로 버퍼의 역할을 한다.
  주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터대신 RAM을 사용하기도 한다.  
 -상태 레지스터(status register) : 입출력장치의 준비 여부, 작업 완료 여부, 오류 등 상태 정보가 저장된다.
 -제어 레지스터(control register) : 입출력장치가 수행할 내용에 대하 제어 정보와 명령이 저장된다.

 

2. 장치 드라이버

① 장치 드라이버(device driver)

 -장치 컨트롤러의 동작을 감시하고 제어하여 장치 컨트롤러와 컴퓨터 내부가 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
 -프로그램이므로 실행 과정 중 메모리에 저장된다. 
 -장치 드라이버를 인식할 수 있다면 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있지만, 반대의 경우 정보를 주고받을 수 없다. 

 
② 장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체

 -장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체는 운영체제이다.

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확인문제

1. ①, ③
2. ②
3. ① 장치 컨트롤러, ② 프로그램
4. ②
① 운영체제가 기본적으로 제공하는 장치 드라이버도 있다.
③ 컴퓨터가 장치 드라이버를 인식하고 실행할 수 없다면 해당 입출력장치는 사용이 불가능하다.
④ 장치 드라이버는 프로그램이다.

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08-2 다양한 입출력 방법

1. 프로그램 입출력(programmed I/O)
① 프로그램 입출력

 -프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법

	01. CPU가 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.
	02. 하드 디스크 컨트롤러가 하드 디스크의 상태를 확인한다. 하드 디스크가 준비된 상태라면 하드 디스크 컨트롤러는 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다.
	03. CPU는 하드 디스크 컨트롤러를 주기적으로 읽으며 하드 디스크의 준비 여부를 확인하고 준비 된 것을 확인하면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.  백업 작업이 완료되지 않았다면 01번부터 반복, 완료됐다면 작업을 종료한다.

 
①-1 메모리 맵 입출력(memory-mapped I/O)

 -메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
ex) 1,024개의 주소를 표현할 수 있는 주소 공간이 있을 때, 0~511은 메모리를 위한 주소 공간, 512~1,023은 입출력장치를 위한 주소 공간
(입출력장치를 사용하는 만큼 메모리의 주소 공간 용량이 줄어든다.) 
 -메모리의 주소나 장치 컨트롤러의 레지스터나 똑같이 메모리 주소를 대하듯 한다.  
ex) CPU가 517번지를 읽으라는 명령어를 실행→메모리의 517번지를 읽는다→메모리의 517번지가 프린터 컨트롤러의 상태 레지스터를 가리킨다→CPU는 프린터 컨트롤러의 상태를 확인할 수 있다.  

 
①-2 고립형 입출력(isolated I/O)

 -메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 분리하는 방법
ex) 1,024개의 주소를 표현할 수 있는 주소 공간이 있을 때, 메모리 읽기/쓰기와 입출력장치 읽기/쓰기를 각각 활성화시키는 명령어를 실행하면 그때마다 접근하는 곳이 다르므로 메모리와 입출력장치 모두 1,024개의 주소 공간을 활용할 수 있다. 

책에는 ex에 써놓은 것처럼 나와 있는데, 납득이 잘 가지 않아서 따로 찾아보았다.

메모리와 입출력장치가 별개의 주소 공간을 가지므로 입출력장치를 사용하여도 메모리의 주소 공간이 줄어들지 않는다.

와 같이 이해를 하면 될 듯하다.

 -CPU가 입출력장치에 접근하는 입출력 명령어와 메모리에 접근하는 명령어는 서로 다르다.
 

메모리 맵 입출력	고립형 입출력
메모리와 입출력장치는 같은 주소 공간 사용	메모리와 입출력장치는 분리된 주소 공간 사용
메모리 주소 공간이 축소된다	메모리 주소 공간이 축소되지 않는다
메모리와 입출력장치에 같은 명령어를 사용할 수 있다	입출력 전용 명령어를 사용한다.

 

2. 인터럽트 기반 입출력(Interrupt-Driven I/O)

① 인터럽트 기반 입출력

 -인터럽트를 기반으로 하는 입출력
 -CPU가 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 관리한다. 입출력 작업을 완료하면 장치 컨트롤러는 CPU에 인터럽트 요청 신호를 보내고, CPU는 하던 작업을 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다. 

 
② 폴링(polling)

 -CPU가 주기적으로 장치 컨트롤러의 상태 레지스터를 확인하며 입출력 장치의 상태와 처리할 데이터의 유무를 확인하는 방식
 -인터럽트 방식보다 CPU의 부담이 더 크다.

 
③ 입출력 장치가 많을 때 인터럽트 처리 방식 

 -CPU는 인터럽트가 발생한 순서대로가 아닌, NMI(Non-Maskable Interrupt)와 같이 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다. 

 
④ 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC; Programmable Interrupt Controller)

 -우선순위를 반영하여 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 후 CPU에게 처리할 인터럽트가 무엇인지 알려주는 장치 
 -NMI는 우선순위가 가장 높아 우선순위 판별이 불필요하므로 PIC가 우선순위를 판별하지 않는다.
 -인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트들의 우선순위만을 조정해 준다.
 -PIC의 다중 인터럽트 처리 과정 

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)를 받아들인다. 2. PIC가 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다. 3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다. 4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다. 5. CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

 

3. DMA 입출력

① DMA(Direct Memory Access)

 -입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식 

 
② DMA 컨트롤러

 -DMA 입출력을 하기 위해 필요한 시스템 버스에 연결된 하드웨어

 
③ DMA 입출력 과정

 -①CPU가 DMA 컨트롤러에 시스템 버스를 통해 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.
 -②DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 통해 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행하며, 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
 -③입출력 작업이 완료되면 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 통해 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
 
 -장점 : CPU가 입출력의 시작과 끝에만 관여하여 작업 부담이 줄어든다.
 -문제점 :  DMA와 CPU가 동시에 시스템 버스를 사용할 수 없다.
→CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 이용
→CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용(사이클 스틸링(cycle stealing))

 
④ 입출력 버스(input/output bus)

 -DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러를 연결하여 DMA의 시스템 버스 이용 빈도를 줄여 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못하는 문제를 해결하는 별도의 버스
 -입출력 버스의 종류 : PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(PCIe) 버스 등  
 -PCIe 슬롯 : 여러 입출력장치들을 PCIe 버스와 연결해 주는 통로

 
⑤ 입출력 채널

 -입출력 프로세서(IOP; Input/Output Processor) : 입출력 명령어를 직접 인출하고, 해석하고, 실행까지 하는 입출력 전용 CPU
 -입출력 채널(Input/Output Channel)이라고 부르기도 한다.
 -입출력 채널이 있는 컴퓨터는 CPU가 입출력 명령어를 실행하지 않고, CPU가 입출력 채널에게 메모리에 저장된 특정 입출력 명령어의 수행을 지시한다.         

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확인문제

1. ②
2. A, B
3. ③, DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 직접 시스템 버스를 통해 메모리와 입출력장치 간의 데이터를 주고받는다.  
4. 메모리 맵 입출력
5. 고립형 입출력