혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제 8장 정리

---

장치 컨트롤러

• 입출력장치는 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받는다.

장치 컨트롤러는 대표적으로 다음과 같은 활동을 한다.

• CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링

데이터 버퍼링

• 버퍼링이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고 받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방식이다.
• 장치 컨트롤러 내부에는 데이터 레지스터와 상태 레지스터, 제어 레지스터가 있다.
  • 데이터 레지스터는 CPU와 입출력장치 사이에 주고 받을 데이터가 담기는 레지스터이다.
  • 상태 레지스터는 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류가 없는지 등의 상태 정보가 저장된다.
  • 제어 레지스터는 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.

프로그램 입출력

• 프로그램 입출력은 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법이다.
• CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.

메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 경우

1. 우선 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 표시한다.
3. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인한다. 하드 디스크가 준비됐음을 CPU가 알게 되면 백업할 메모리 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.
4. 쓰기 작업이 끝나지 않았다면 01번 부터 반복하고, 쓰기가 끝났다면 작업을 종료한다.

메모리 맵 입출력

• 메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다.
• 메모리 주소 공간이 축소됨

고립형 입출력

• 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다.
• 메모리 주소 공간이 축소되지 않음

인터럽트 기반 입출력

• CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다.
• 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면, CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

여러 입출력 장치에서 인터럽트가 동시에 발생한 경우

• 여러 입출력장치에서 인터럽트가 동시에 발생한 경우
  • 인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법
  • 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성한 채 인터럽트를 처리하는 경우 다른 입출력 장치에 의한 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않는다.
  • 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우, 혹은 인터럽트 비트가 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.
• 많은 컴퓨터에서는 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC)라는 하드웨어를 사용한다.
• PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트를 알려준다.

PIC의 다중 인터럽트 처리 과정

• PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)을 받아들인다.
• PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보낸다.
• CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보낸다.
• PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보낸다.
• CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

입출력 장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 방식인 DMA가 등장

DMA 입출력을 하기 위해서 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.

DMA 입출력 과정

• CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산, 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령함
• DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.
• 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
• DMA의 시스템 버스 이용을 사이클 스틸링이라고 부른다.

입출력 버스

1. 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 사용되면, 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다.

→ DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결가능

→ 입출력 버스에는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(PCIe) 버스 등 여러 종류가 있다. 여러 입출력 장치들을 PCIe 버스와 연결해 주는 통로인 PCIe 슬롯이다.