장치 컨트롤러와 장치 드라이버
장치 컨트롤러
등장 배경
입출력장치 종류는 CPU, 메모리보다 많고 다양해 규격화하기 어렵습니다. 또한 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는 지 나타내는 전송률도 CPU, 메모리보다 입출력장치가 낮습니다. 이러한 이유로 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결됩니다.
장치 컨트롤러의 역할
장치 컨트롤러는 대표적으로 다음과 같은 역할을 통해 앞서 언급한 문제를 해결합니다.
- CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
- 오류 검출
- 데이터 버퍼링
여기서 데이터 버퍼링은 무엇일까요? 버퍼링이란 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법입니다.
장치 컨트롤러의 구조
원래는 더 복잡하지만 기억해야 하는 것은 데이터 레지스터와 상태 레지스터, 제어 레지스터 세 가지입니다.
데이터 레지스터는 CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터입니다. 앞서 말한 데이터 버퍼링의 버퍼 역할을 하며 최근에는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 합니다.
상태 레지스터에는 입출력 작업 준비 여부, 완료 여부, 오류 여부 등의 상태 정보가 저장되고, 제어 레지스터는 입출력 장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장합니다.
장치 드라이버
장치 드라이버란 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램입니다.
*여기서 장치 드라이버를 인식하고 실행하는 주체는 윈도우, macOS와 같은 운영체제입니다.
다양한 입출력 방법
프로그램 입출력
프로그램 입출력은 프로그램 속 명령어로 입출력을 제어하는 방법입니다. CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력 장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하여 입출력 작업을 수행합니다.
CPU 내부에 있는 레지스터들과 달리 CPU는 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터들을 모두 알고 있기 어렵습니다. 이를 읽고/쓰기 위한 방식으로는 메모리 맵 입출력, 고립형 입출력 두 가지가 있습니다.
메모리 맵 입출력
메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접급하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법입니다.
고립형 입출력
고립형 입출력은 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법입니다.
| 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 |
입터럽트 기반 입출력
CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고 장치 컨트롤러가 제어하며, 장치 컨트롤러는 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내 인터럽트 서비스 루틴을 실행하는 방식을 인터럽트 기반 입출력이라고 합니다.
위 방식에서 더 많은 입출력장치가 있다고 가정해보겠습니다. 간단하게 생각하면 인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법이 있습니다.
하지만 현실적으로 모든 인터럽트를 전부 순차적으로 해결할 수 없습니다.우선적으로 처리해야 하는 인터럽트가 있기 때문입니다. 예를 들어 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우, 혹은 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI(Non-Maskable Interrupt)가 있습니다.
우선순위를 반영하여 다중 인터럽트를 처리하는 방법에는 여러가지가 있지만 많은 컴퓨터에서 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(이하 PIC)라는 하드웨어를 사용합니다.
PIC에는 여러 핀이 있는데 각 핀에는 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있습니다.
이를 통해 다중 인터럽트를 처리하는 과정을 더 정확히 알아보겠습니다.
- PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호를 받아들입니다.
- PIC는 인터럽트 우선순위를 판단한 뒤 CPU에 처리해야 할 인터럽트 요청 신호를 보냅니다.
- CPU는 PIC에 인터럽트 확인 신호를 보냅니다.
- PIC는 데이터 버스를 통해 CPU에 인터럽트 벡터를 보냅니다.
- CPU는 인터럽트 벡터를 통해 요청의 주체를 알게 되고, 해당 장치의 인터럽트 서비스 루틴을 실행합니다.
*PIC가 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI는 우선순위가 가장 높아 판별이 불필요합니다.
DMA 입출력
DMA는 CPU의 입출력장치 연산 부담을 줄이고자 등장했습니다. 이를 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요합니다.
DMA 입출력 과정
- CPU는 DMA 컨트롤러에 하드 디스크 주소, 수행할 연산, 메모리의 주소 등의 정보와 함께 입출력 작업을 명령합니다.
- DMA 컨트롤러는 CPU를 거치지 않고, 메모리의 데이터를 직접 가져와 장치 컨트롤러에 내보냅니다.
- 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 걸어 완료를 알립니다.
*문제는 시스템 버스를 동시에 사용할 수 없기에 CPU 입장에서는 DMA 컨트롤러에 의해 느려질 수 있다. 이를 사이클 스틸링이라고 부릅니다.
입출력 버스
위에 언급한 사이클 스틸링은 DMA 컨트롤러를 별도의 입출력 버스에 연결하여 해결할 수 있습니다.
현대 대부분의 컴퓨터는 입출력 버스가 있습니다. 다시 말해 대부분의 입출력장치는 시스템 버스가 아닌 입출력 버스와 연결됩니다. 이런 점에서 입출력 버스는 입출력장치를 컴퓨터 내부와 연결 짓는 통로라고 볼 수 있습니다.
입출력 버스에는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스, PCI Express(이하 PCle) 버스 등 여러 종류가 있으며 입출력장치들을 PCle 버스와 연결해주는 통로인 PCle 슬롯이 존재합니다.
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