[혼공컴운] Chapter 08-2. 다양한 입출력 방법

입출력 작업 : CPU와 장치 컨트롤러가 정보를 주고받는 것 ⇒ 장치 컨트롤러와 CPU가 정보를 주고받는 방법

1. 프로그램 입출력
2. 인터럽트 기반 입출력
3. DMA 입출력

프로그램 입출력

: 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법

⚡ Q. 어떻게 CPU는 입출력 장치들의 주소를 아는 걸까?
- "프린터 컨트롤러의 상태 레지스터를 읽어라" 와 같은 명령어들은 어떻게 명령어로 표현되고, 메모리에 어떻게 저장되어 있을까?

메모리 맵 입출력

: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소공간을 하나의 주소공간으로 간주하는 방법

즉, 1024개의 주소를 표현할 수 있는 컴퓨터가 1024개 전부를 메모리 주소를 표현하는데 사용하지는 않는다. 이때, 512개는 메모리 주소를 512개는 장치 컨트롤러의 레지스터를 표현하기 위해 사용하는 것이다.

고립형 입출력

: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소공간을 분리하는 방법

즉, 1024개의 주소공간을 가진 컴퓨터가 메모리에도 1024개의 주소공간을 활용하고, 입출력장치도 1024개의 주소공간을 활용할 수 있다는 것이다.

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 입출력 장치에 같은 명령어 사용 가능	입출력 전용 명령어 사용

인터럽트 기반 입출력

: 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

→ 즉, 인터럽트를 기반으로 작업하는 입출력

폴링 (Poling)

↔ 인터럽트와 자주 비교되는 개념

: 입출력장치의 상태는 어떤지, 처리할 데이터가 있는지를 주기적으로 확인하는 방식

인터럽트를 사용하게 되면 CPU가 인터럽트 요청을 받을 때까지 온전히 다른 일에 집중할 수 있기 때문에 인터럽트 방식보다 CPU의 부담이 크다.

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입출력 장치가 많을 때

Ex. 키보드로 글자 입력, 모니터로 입력한 글자를 실시간으로 띄워주기, 동영상 사이트에서 음악 재생 → 스피커에서 음악 흘러나옴 , 광고가 나올때 건너뛰기 위해 마우스 움직이기 등

⇒ 동시다발적으로 CPU가 키보드, 마우스, 모니터, 스피커 인터럽트를 모두 처리해야 하는 경우

인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리한다.

BUT! 현실적으로 모든 인터럽트를 전부 순차적으로만 해결할 수는 없다. 인터럽트 중에서도 더 빨리 처리해야 하는 인터럽트가 있기 때문! (우선순위가 높은 인터럽트)

즉, NMI (Non-Maskable Interrupt, 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트) 가 발생했거나, 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화 되있는 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.

PIC(Programmable Interrupt Controller) _ 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러

: 많은 컴퓨터에서 사용하는 다중 인터럽트를 처리하는 방법

• 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 후,
  CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치

PIC

• 각 핀에는 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있다.
• 연결된 장치 컨트롤러들이 동시에 하드웨어 인터럽트 요청을 보내면 PIC는 이들의 우선순위를 판단하여 CPU에 가장 먼저 처리할 인터럽트를 알려준다.

PIC의 다중 인터럽트 처리 과정

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호(들)를 받아들인다.
2. PIC는 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. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

⚡ + 추가내용 참고로, PIC가 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI 까지 우선순위를 판별하지는 않는다
      → 이는, NMI는 우선순위가 항상 가장 높아 우선순위를 판별할 필요가 없기 때문이다.

즉, PIC가 우선순위를 조정해주는 인터럽트는 인터럽트 비트를 통해 막을 수 있는 하드웨어 인터럽트이다.

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앞에서 설명한 프로그램 기반 입출력, 인터럽트 기반 입출력의 경우 데이터 이동을 CPU가 주도하고,
이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다는 특징을 가지고 있다.

DMA 입출력

DMA = Direct Memory Access

: 입출력 장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식

• DMA 컨트롤러 : DMA 입출력을 하기 위해서 필요한 시스템 버스에 연결된 하드웨어

DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산(읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업 명령
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림

⚡ 입출력 장치와 메모리 사이에 주고받을 데이터는 CPU를 거치지 않는다.
따라서 작업 명령을 내리고, 인터럽트만 받으면 되기 때문에 작업 부담을 훨씬 줄일 수 있는 방법이다.

 

But, DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근이 가능하지만, 시스템 버스는 동시 사용이 불가능하다. 즉, CPU가 시스템 버스를 사용하고 있는 경우 DMA컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없다.

따라서 CPU가 시스템 버스를 사용하지 않는 경우이거나, CPU에게 허락을 구하고 시스템 버스를 일시적으로 사용하게 된다.
(사이클 스틸링 = Cycle Stealing)

입출력 버스

: 입출력 장치를 컴퓨터 내부와 연결짓는 통로

• PCI버스
• PCI Express(PCIe)버스
  • PCIe슬롯 : PCIe 버스와 연결해주는 통로

출처 - 혼공컴운