8-2] 입출력장치: 다양한 입출력 방법

입출력 방식
프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력

1] 프로그램 입출력
프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법
입출력 명령어로써 장치 컨트롤러와 상호작용

프로그램 입출력 예시
메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업
(= 하드 디스크에 새로운 정보 쓰기)

1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령 내보내기
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태 확인 > 상태 레지스터에 준비 완료 표시
3-1. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부 확인
3-2. 하드 디스크가 준비되었다면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기
3-3. 아직 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 1번부터 반복, 쓰기 끝났다면 작업 종료

따라서,
프로그램 입출력은 CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다
그런데,
CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터들(입출력장치의 주소)을 어떻게 파악하느냐에 관점은
두 가지로 구분된다
프로그램 입출력 방식: 메모리 맵 입출력 & 고립형 입출력

메모리 맵 입출력
메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의
주소 공간으로 간주하는 방법
따라서, 메모리 접근 명령어와 입출력장치 접근 명령어는 동일한 명령어로 작동

고립형 입출력
메모리를 위한 주소 공간과 입출력 장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이며
별도의 주소 공간을 활용하기에
(입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 전용 명령어를 사용한다

메모리 맵 입출력 vs. 고립형 입출력

 

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2] 인터럽트 기반 입출력
+ 인터럽트 <-> 폴링(Polling)

하드웨어 인터럽트는 장치 컨트롤러에 의해 발생

동시다발적인 인터럽트
1. 순차적으로 인터럽트 처리 방식

플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 인터럽트를 순차적으로 처리하는 경우
하드웨어 인터럽트는 처리가 가능하나
인터럽트 비트를 비활성화해도 순차적으로 처리가 불가능한 인터럽트를 NMI(Non Maskable Interrupt)라고 부름
ex. 하드 웨어 고장, 정전과 같은 매우 중요한 인터럽트

2. 우선순위를 반영한 인터럽트 처리 방식

현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로 처리할 수 없다
인터럽트 중에서도 우선순위가 높은 인터럽트가 있다
그런 경우, 우선순위를 반영한 인터럽트 처리 방식을 사용

PIC

우선순위를 반영한 인터럽트를 하기 위한 하드웨어 장치이다
PIC를 통해 우선순위를 판단해 우선순위를 반영한 인터럽트가 가능
NMI 우선순위는 매우 중요하니 굳이 판단하지 않음

프로그램 입출력, 인터럽트 기반 입출력 공통점
입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고
이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다
따라서 이는 CPU의 작업 속도에 영향을 미치며 단점으로 작동한다

 

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3] DMA(Direct Memory Access) 입출력
위와 같은 단점을 해결하기 위해 등장
DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하며
CPU를 거치지 않고 입출력장치가 메모리에 직접적으로 접근하는 기능

DMA 입출력 과정
1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력 작업을 명령
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에 작업이 끝났음을 알림
+ 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근

이처럼 CPU는 입출력 작업의 시작과 끝만 관여 

DMA 입출력 과정 문제점1
앞선 예시의 DMA 과정에서 시스템 버스를 이용하는데
시스템 버스는 공용 자원이기에 동시 사용이 불가능하다

이는, CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고,
DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음

그래서 DMA 컨트롤러는
1. CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스 이용
2. CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스 이용

DMA 입출력 과정 문제점 2
시스템 버스를 (불필요하게) 두 번 이용하는 DMA 컨트롤러

이를 해결하기 위해 아래처럼 입출력 버스를 통해 시스템 버스의 이용 빈도를 낮춘다

입출력버스
PCI 버스, PCI express(PCIe) 버스와 입출력 장치를 연결 짓는 슬롯
슬롯 > 입출력 버스 > 시스템 버스

더욱 발전한 DMA로는 입출력 프로세서(입출력 채널)를 탑재한 장치도 등장했다