이 글은 혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 (저자 : 강민철)의 책과 유튜브 영상을 참고하여 개인적으로 정리하는 글임을 알립니다.
입출력 작업을 수행하려면 CPU와 장치 컨트롤러가 정보를 주고받아야 한다.
CPU와 장치 컨트롤러와 의 정보 교류의 방법은 크게 아래와 같이 3가지가 있다.
- 프로그램 입출력
- 인터럽트 기반 입출력
- DMA 입출력
프로그램 입출력
프로그램 입출력은 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 상황이라면 CPU는 대략 아래 과정으로 입출력 작업을 한다.
1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보냄
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인하고 상태 레지스터에 표시한다.
3.CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽기를 하여 하드 디스크의 준비여부를 확인하고 준비가 되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다. 아직 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 1번부터 반복하고, 쓰기가 끝났다면 작업을 종료한다.
CPU는 여러 장치 컨트롤러의 레지스터들을 모두 알고 있는 것은 매우 힘들다.
따라서 입출력 명령어 표현과 메모리에 저장은 아래와 같이 크게 두 가지 방식이 있다.
- 메모리 맵 입출력
- 고립형 입출력
| 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 입출력장치에 같은 명령어 사용가능 | 입출력 전용 명령어 사용 |
메모리 맵 입출력
메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다.
가령 1,024개의 주소를 표현할 수 있는 컴퓨터가 있을 때 1,024개 전부 메모리 주소를 표현하는 데 사용하지 않는다.
512개는 메모리 주소를, 나머지 512개는 장치 컨트롤러의 레지스터를 표현하기 위해 사용한다.
주소 공간 일부를 아래와 같이 약속했다고 가정하자.
- 516번지 : 프린터 컨트롤러의 데이터 레지스터
- 517번지 : 프린터 컨트롤러의 상태 레지스터
- 518번지 : 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터
- 519번지 : 하드 디스크 컨트롤러의 상태 레지스터
CPU는 '517번지를 읽어 들여라'라는 명령어로 키보드 상태를 읽을 수 있다.
그리고 '518번지에 a를 써라'라는 명령어로 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터로 데이터를 보낼 수 있다.
이때 중요한 점은 메모리 맵 입출력 방식에서 CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 된다는 점이다. 그래서 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다.
CPU가 '517번지를 읽어라'라는 명령어를 실행했을 때 517번지가 메모리상의 주소를 가리키면 CPU는 메모리 517번지에 저장된 정보를 읽어 들일 것이고, 517번지가 프린터 컨트롤러의 상태 레지스터를 가리킨다면 CPU는 프린터의 상태를 확인할 것이다.
고립형 입출력
고립형 입출력은 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다.
가령 1,024개의 주소를 표현할 수 있는 컴퓨터가 있다고 가정하자
아래의 그림과 같이 제어 버스에 메모리 읽기/쓰기 선 이외에 입출력장치 읽기/쓰기 선이 따로 있다면 메모리에도 1024개의 주소 공간을 활용하고, 입출력장치도 1024개의 주소 공간을 활용할 수 있다.
CPU가 메모리 읽기/쓰기 선이 활성화되는 명령어를 실행할 때는 메모리에 접근하고, 입출력장치 읽기/쓰기 선이 활성화되는 명령어를 실행할 때는 장치 컨트롤러에 접근한다.
고립형 입출력 방식에서 CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용한다.
인터럽트 기반 입출력
아래의 내용이 이해가 되지 않는다면
위 글을 읽고 오는 것을 추천합니다.
- CPU가 입출력장치에 처리할 내용을 명령하면 입출력장치가 명령어를 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다.
- 입출력장치가 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 멈추고 해당 인터럽트를 처리하는 프로그램인 인터럽트 서비스 루틴을 실행한 뒤 다시 하던 일로 되돌아온다.
입출력 장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 정확히 말하자면 장치 컨트롤러에 의해 발생한다.
이렇게 인터럽트를 기반으로 하는 입출력을 인터럽트 기반 입출력이라고 한다.
폴링
인터럽트와 자주 비교되는 개념 중 하나
폴링이란 입출력 장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식
폴링 방식은 당연히 인터럽트 방식보다 CPU부담이 더 크다. 인터럽트를 활용하면 CPU가 인터럽트 요청을 받을 때까지 다른 일을 할 수 있기 때문이다.
아래와 같이 여러 입출력 장치에서 인터럽트가 동시에 발생했다고 가정하자
-인터럽트가 발생한 순서대로 처리(플래그 레지스터의 인터럽트 비트 비활성화)
다른 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않기 때문에 CPU는 순차적으로 하드웨어 인터럽트를 처리
-인터럽트를 우선순위를 고려하여 처리(플래그 레지스터의 인터럽트 비트 활성화)
이 경우는 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.
우선순위를 반영하여 다중 인터럽트를 처리하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 많은 컴퓨터에서는 PIC라는 하드웨어를 사용한다.
PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지 알려주는 장치이다.
PIC의 다중 인터럽트 처리 과정은 아래와 같다.
- PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호를 받아들인다.
- 인터럽트 우선순위를 판단 -> CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 전송
- CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 전송
- PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 전송
- CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행
일반적으로 더 많고 복잡한 장치들의 인터럽트를 관리하기 위해 아래와 같이 PIC를 두 개 이상 계층적으로 구성한다.
NMI 우선순위 판별
PIC는 NMI까지 우선순위를 판별하지 않는다.
NMI는 우선순위가 가장 높아 판별이 불필요하기 때문이다.
PIC가 우선순위를 조정해 주는 인터럽트는 인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트이다.
DMA 입출력
프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력의 공통점은 아래와 같다.
- 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도한다.
- 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다
입출력 장치와 메모리 사이에 전송되는 모든 데이터가 반드시 CPU를 거친다면 CPU는 입출력장치를 위한 연산 때문에 시간을 뺏기게 된다.
그래서 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식인 DMA(Direct MEmory Access)가 등장하였다.
DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.
DMA 입출력 과정
일반적으로 DMA 입출력은 아래와 같이 이뤄진다.
- CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령
- DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행. 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
- 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
위 과정을 그림으로 나타내면 아래와 같다.
CPU는 DMA 컨트롤러에게 입출력 작업 명령을 내리고, 인터럽트만 받으면 되기 때문에 작업 부담을 훨씬 줄일 수 있다.
즉, CPU는 오로지 입출력의 시작과 끝에만 관여하면 된다.
하지만 DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근하는데, 시스템 버스는 동시 사용이 불가하다.
시스템 버스는 공용자원이기 때문이다.
따라서 CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없다.
그래서 아래의 두 가지 방법을 사용한다.
- DMA컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 시스템 버스를 조금씩 사용
- DMA컨트롤러는 CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 사용
위와 같은 DMA의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링이라고 부른다.
입출력 버스
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 있다.
DMA 입출력 과정을 다시 생각해 보면
- 메모리에서 DMA 컨트롤러로 데이터를 가져오기 위해 시스템 버스를 한 번 사용하고
- DMA 컨트롤러의 데이터를 장치 컨트롤러로 옮기기 위해 시스템 버스를 또 한 번 사용한다.
DMA를 위해 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다.
이 문제는 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있다.
위 그림과 같이 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 빈드롤 줄일 수 있다.
현대 컴퓨터에는 입출력 버스가 있다.
즉, 대부분의 입출력장치(장치 컨트롤러)는 시스템 버스가 아닌 입출력 버스와 연결된다.
입출력 버스에는 PCI(Peripheral Compoent Interconnect)버스, PCI Express(PCIe) 버스등 여러 종류가 있다.
아래의 그림은 여러 입출력장치들을 PCIe 버스와 연결해 주는 통로인 PCIe 슬롯이다.
우리가 사용하는 거의 모든 입출력장치들은 이렇게 입출력 버스와 연결되는 통로를 통해 시스템 버스를 타고 CPU와 정보를 주고받는다.
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