다양한 입출력 방법

다양한 입출력 방법

 

프로그램 입출력

기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법

CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행함

 

1. '메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업한다' 말은 '하드 디스크에 새로운정보를 쓴다'는 말과 같음 CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보냄

 

 

2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인 하드 디스크가 준비된 상태라면 하드 디스크 컨트롤러는 상태 레지스터에 준비되었다고 표시함

 

 

3. ① CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인함 ② 하드 디스크가 준비됐음을 CPU가 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 씀, 아직 백업 작업 (쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 01번부터 반복하고, 쓰기가 끝났다면 작업을 종료함

 

 

입출력 방식에서의 입출력 작업은 CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로 이루어지는데, 주소를 어떻게 아는걸까?

• 메모리 맵 입출력 (memory - mapped I/O): 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력 장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법

 

CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯 하면 됨, 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없음

 

• 고립형 입출력 (isolated I/O): 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법, CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 (입출력 읽기/쓰기 선을 활성화시키는) 입출력 명령어를 사용함

 

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 사용 가능	입출력 전용 명령어 사용

 

 

 

인터럽트 기반 입출력

입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생함

CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있음

 

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

 

 

인터럽트가 동시에 발생한 경우

인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리함

CPU가 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우 다른 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않기 때문에 CPU는 순차적으로 하드웨어 인터럽트를 처리하게 됨

 

 

CPU는 인터럽트 간 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 여러 인터럽트를 처리할 수 있음

 

 

플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우, 혹은 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI (Non-Maskable Interrupt) 가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리함

 

 

다중 인터럽트를 처리하는 방법

프로그래머블 인터럽트 컨트롤러 (PIC: Programmable Interrupt Controller) 라는 하드웨어를 사용함

여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트가 무엇인지 알려주는 장치

 

 

PIC는 우선순위를 판단하여 CPU에 가장 먼저 처리할 인터럽트를 알려줌

 

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청신호를 받아들임
2. PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야할 인터럽트 요청 신호를 보냄
3. CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보냄
4. PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보냄
5. CPU는 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행

 

 

DMA 입출력

적접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능, DMA 입출력을 하기 위해서 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요함

 

 

DMA 입출력 과정

 

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산 (읽기/쓰기), 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령함

 

 

2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신 장치컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행, DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 씀

 

 

3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알림

 

 

시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 CPU가 시스템 버스를 사용할 때는 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없음

 

그래서 DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나 CPU의 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용함

 

 

입출력 서비스

DMA를 위해 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못함, 이 문제를 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있음

 

입출력 버스: 입출력장치를 컴퓨터 내부와 연결 짓는 통로

• PCI 버스
• CPI Express (PCIe) 버스