[컴퓨터구조] CPU와 장치 컨트롤러가 정보를 주고 받는 방법

1. 프로그램 입출력: 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법

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

CPU가 장치 컨트롤러의 레지스터 값을 읽고 씀으로써 이루어진다.

 

1.1 CPU가 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터들의 위치를 아는 방법

• 메모리 맵 입출력: 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위 한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법
  • CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하면 된다.
  • 1024개의 주소를 표현할 수 있는 컴퓨터가 있을 때 1024개 전부 메모리 주소를 표현하는 데 사용하지 않고 512개는 메모리 주소를, 512개는 장치 컨트롤러의 레지스터를 표현하기 위해 사용한다.
  • CPU가 ‘517번지를 읽어라’라는 명령어를 실행했을 때 517번지가 메모리상의 주소를 가리킨다면 CPU는 메모리 517번지에 저장된 정보를 읽어들일 것이고, 517번지가 프린터 컨트롤러의 상태 레지스터를 가리킨다면 CPU는 프린터의 상태를 확인할 수 있다.
• 고립형 입출력: 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법
  • 1024개의 주소 공간을 가진 컴퓨터가 있다고 가정하면 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, 입출력 장치 읽기/쓰기 선이 활성화되는 명령어를 실행할 때는 장치 컨트롤러에 접근한다.
• 비교

메모리맵 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

 

 

2. 인터럽트 기반 입출력: 인터럽트를 기반으로 하는 입출력

2.1 과정 

1. 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 정확히 말하자면 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생한다.
2. CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령한다.
3. 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다.

인터럽트 기반 입출력

 

2.2 여러 입출력 장치에서 인터럽트가 동시에 발생한 경우

• NMI: 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트
  • 우선순위가 가장 높다.
• 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우, CPU는 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 여러 인터럽트를 처리한다.

 

2.3 우선순위를 반영하여 다중 인터럽트를 처리하는 방법

• 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC)라는 하드웨어를 사용한다.

 

2.4 PIC(Programmable Interrupt Controller): 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치

• PIC에는 여러 핀이 있는데, 각 핀에는 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있다.
• PIC에 연결된 장치 컨트롤러들이 동시에 하드웨어 인터럽트 요청을 보내면 PIC는 이들의 우선순위를 판단하여 CPU에 가장 먼저 처리할 인터럽트를 알려준다.
• 다중 인터럽트 처리 과정
  1. PIC가 장치 컨트롤리에서 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.

PIC

 

3. DMA 입출력

• DMA: 입출력장치와 메모리가 CPU를 거치지 않고도 상호작용할 수 있는 입출력 방식
• DMA 컨트롤러: DMA 입출력을 하기 위해 필요한 시스템 버스에 연결된 하드웨어

DMA 컨트롤러

 

 

3.1 배경

• 프로그램 기반 입출력과 인터럽트 기반 입출력은 둘다 입출력장치와 메모리 간의 데이터 이동은 CPU가 주도하고 이동하는 데이터도 반드시 CPU를 거친다.
• 입출력장치와 메모리 사이에 전송되는 모든 데이터가 반드시 CPU를 거처야 한다면 가뜩이나 바쁜 CPU는 입출력장치를 위한 연산 때문에 시간을 뺏기게 된다.

 

3.2 과정

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

 

3.3 백업 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 하드 디스크 주소, 수행할 연산(쓰기), 백업할 내용이 저장된 메모리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령한다.
2. DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고 메모리와 직접 상호작용하며 백업할 정보를 읽어오고 이를 하드 디스크와 장치 컨트롤러에 내보낸다.
3. 백업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.

 

CPU는 DMA 컨트롤러에게 입출력 작업 명령을 내리고, 인터럽트만 받으면 되기 때문에 작업 부담을 훨씬 줄일 수 있다. CPU는 오로지 입출력의 시작과 끝에만 관여하면 된다.

DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근이 가능하지만, 시스템 버스는 동시 사용이 불가능하다.

그래서 DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 하락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용한다.

 

3.4 입출력 버스

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 빈도를 줄일 수 있다.

• 배경
  • CPU, 메모리, DMA, 장치 컨트롤러가 모두 같은 버스를 공유하는 구성에서는 DMA를 위해 한 번 메모리에 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 사용하게 되는 부작용이 있다.
  • DMA를 위해 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다. 이 문제는 DMA 컴트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있다.

 

입출력 버스