8장 장치 컨트롤러와 장치 드라이버

“장치 컨트롤러”

입출력장치는 CPU, 메모리보다 다루기 까다롭다. 크게 두 가지 이유가 있다.

첫째, 입출력장치에는 종류가 너무 많다.

• 키보드, 모니터, USB 메모리, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등
• 종류가 많기 때문에 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기 어렵다.
• 예를 들어 설명하면 CPU와 메모리는 한국어를 사용하고, 프린터는 영어, 스피커는 일본어, 모니터는 중국어를 사용하는 상황이라고 생각하면 된다.

둘째, 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮다.

• 전송률 : 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지 나타내는 지표
• CPU와 메모리같은 전송률이 높은 장치는 1초에 수많은 데이터를 보낼 수 있는 반면, 키보드나 마우스와 같은 전송률이 낮은 장치는 같은 시간 동안 데이터를 조금씩만 주고받을 수 있다.
• 이렇듯 전송률의 차이는 CPU와 메모리, 입출력장치 간의 통신을 어렵게 한다.
• 그렇기 때문에 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러라는 하드웨어를 통해 연결된다.
• 장치 컨트롤러 = 입출력 제어기 = 입출력 모듈
• 입출력 장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받고, 장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력장치와 연결되어 있다.

장치 컨트롤러 역할

• CPU와 입출력장치 간의 통신 중개
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링

입출력장치 종류가 많아 정보 규격화가 어려웠던 문제는 장치 컨트롤러가 일종의 번역가 역할을 함으로써 해결할 수 있다. 그 과정에서 장치 컨트롤러는 자신과 연결된 입출력장치에 문제가 없는지 오류를 검출하기도 한다.

“데이터 버퍼링”

• 버퍼링 : 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 한꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법
• 즉, 장치 컨트롤러는 일반적으로 전송률이 높은 CPU와 일반적으로 전송률이 낮은 입출력장치와의 전송률 차이를 데이터 버퍼링으로 완화한다.

장치 컨트롤러의 내부구조

• 장치 컨트롤러의 내부구조 중 기억해야하는 것은 데이터 레지스터, 상태 레지스터, 제어 레지스터가 있다.
• 상태 레지스터와 제어 레지스터는 하나의 레지스터(상태/제어 레지스터)로 사용되기도 한다.
  • CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터
  • 장치 컨트롤러의 버퍼 역할을 한다.
  • 최근 주고받는 데이터가 많은 입출력장치에서는 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 한다.
  상태 레지스터
  • 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류는 없는지 등의 상태 정보가 저장된다.
  제어 레지스터
  • 입출력장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장한다.
• 데이터 레지스터

“장치 드라이버”

새로운 장치를 컴퓨터에 연결하려면 장치 드라이버를 설치해야 한다.

• 장치 드라이버 : 장치 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
• 프로그램이기 때문에 실행 과정에서 메모리에 저장된다.
• 장치 컨트롤러가 입출력장치를 연결하기 위한 하드웨어적 통로라면, 장치 드라이버는 입출력장치를 연결하기 위한 소프트웨어적인 통로이다.

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다양한 입출력 방법

프로그램 입출력

• 프로그램 입출력은 기본적으로 프로그램 속 명령어로 입출력장치를 제어하는 방법이다.
• CPU가 프로그램 속 명령어를 실행하는 과정에서 입출력 명령어를 만나면 CPU는 입출력장치에 연결된 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다.
• 예를 들어 메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업하는 상황을 생각해보면, CPU는 대략 아래 과정으로 입출력 작업을 한다.
  1. ‘메모리에 저장된 정보를 하드 디스크에 백업한다’는 말은 ‘하드 디스크에 새로운 정보를 쓴다’라는 말과 같다. 우선 CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 쓰기 명령을 보낸다.
  2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크 상태를 확인한다. 하드 디스크가 준비된 상태라면 하드 디스크 컨트롤러는 상태 레지스터에 준비되었다고 표시한다.
  3. CPU는 상태 레지스터를 주기적으로 읽어보며 하드 디스크의 준비 여부를 확인한다.
  4. 하드 디스크가 준비된 것을 CPU가 알게 되면 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓴다.
  5. 아직 백업 작업(쓰기 작업)이 끝나지 않았다면 3번부터 반복하고, 쓰기가 끝났다면 종료한다.

CPU 내부에 있는 레지스터들과 달리 CPU는 여러 장치 컨트롤러 속 레지스터들을 모두 알기 어렵다. 그렇다면 아래 명령어들은 어떻게 명령어로 표현되고, 메모리에 어떻게 저장되어 있을까?

메모리 맵 입출력

• 메모리 맵 입출력은 메모리에 접근하기 위한 주소 공간과 입출력장치에 접근하기 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법이다.
• 1,024개의 주소를 표현할 수 있는 컴퓨터가 있을 때 1,024개 모두 메모리 주소로 표현하는 데 사용하지 않는다. 512개는 메모리 주소, 512개는 장치 컨트롤러의 레지스터를 표현하기 위해 사용한다.
• 주소 공간 일부를 아래와 같이 약속했다고 가정하자
  • 516번지 : 프린터 컨트롤러의 데이터 레지스터
  • 517번지 : 프린터 컨트롤러의 상태 레지스터
  • 518번지 : 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터
  • 519번지 : 하드 디스크 컨트롤러의 상태 레지스터
• CPU는 ‘517번지를 읽어 들여라’라는 명령어로 키보드 상태를 읽을 수 있고, ‘518번지에 a를 써라’라는 명령어로 하드 디스크 컨트롤러의 데이터 레지스터로 데이터를 보낼 수 있다.
• 메모리 맵 입출력 방식에서 CPU는 메모리의 주소들이나 장치 컨트롤러의 레지스터들이나 모두 똑같이 메모리 주소를 대하듯하면 된다. 그래서 메모리에 접근하는 명령어와 입출력장치에 접근하는 명령어는 굳이 다를 필요가 없다.

고립형 입출력

• 고립형 입출력은 메모리를 위한 주소 공간과 입출력장치를 위한 주소 공간을 분리하는 방법이다.
• 1,024개의 주소 공간을 가진 컴퓨터가 있다고 가정했을 때 제어 버스에 ‘메모리 읽기/쓰기’ 선 이외에 ‘입출력장치 읽기/쓰기’ 선이 따로 있다면 메모리에도 1,024개의 주소 공간을 활용하고, 입출력장치도 1,024개의 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 접근하기 때문이다.
• 고립형 입출력 방식에서 CPU는 입출력장치에 접근하기 위해 메모리에 접근하는 명령어와는 다른 입출력 명령어를 사용한다.

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인터럽트 기반 입출력

• 입출력장치에 의한 하드웨어 인터럽트는 입출력장치가 아닌 장치 컨트롤러에 의해 발생한다.
• CPU는 장치 컨트롤러에 입출력 작업을 명령하고, 장치 컨트롤러가 입출력장치를 제어하며 입출력을 수행하는 동안 CPU는 다른 일을 할 수 있다.
• 또한 장치 컨트롤러가 입출력 작업을 끝낸 뒤 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업하고 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.

여러 입출력장치에서 인터럽트가 동시에 발생한 경우에는 인터럽트들을 어떻게 처리해야 할까?

• 간단하게 생각하면 인터럽트가 발생한 순서대로 인터럽트를 처리하는 방법이 있다.
• CPU가 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트를 비활성화한 채 인터럽트를 처리하는 경우 다른 입출력 장치에 의한 하드웨어 인터럽트를 받아들이지 않기 때문에 CPU는 순차적으로 하드웨어 인터럽트를 처리하게 된다.
• 하지만 현실적으로 모든 인터럽트를 순차적으로만 해결할 수 없다.
• CPU는 인터럽트 간에 우선순위를 고려하여 우선순위가 높은 인터럽트 순으로 여러 인터럽트를 처리할 수 있다.
• 플래그 레지스터 속 인터럽트 비트가 활성화되어 있는 경우나 인터럽트 비트를 비활성화해도 무시할 수 없는 인터럽트인 NMI가 발생한 경우 CPU는 우선순위가 높은 인터럽트부터 처리한다.

우선순위를 반영하여 다중 인터럽트를 처리하는 방법

• 많은 컴퓨터에서는 프로그래머블 인터럽트 컨트롤러(PIC)라는 하드웨어를 사용한다.

• PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 장치 컨트롤러에서 보낸 하드웨어 인터럽트 요청들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에 지금 처리해야 할 하드웨어 인터럽트는 무엇인지를 알려주는 장치이다.
• PIC에는 여러 핀이 있는데, 각 핀에는 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청을 보낼 수 있는 약속된 하드웨어가 연결되어 있다.
• 예를 들어 첫 번째 핀은 타이머 인터럽트를 받아들이는 핀, 두 번째 핀은 키보드 인터럽트를 받아들이는 핀 이런 식으로 연결된다.

PIC의 다중 인터럽트 처리 과정

1. PIC가 장치 컨트롤러에서 인터럽트 요청 신호를 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.

• NMI는 우선순위가 가장 높기 때문에 PIC가 우선순위를 판별하지 않는다.

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DMA 입출력

• 입출력장치 메모리 사이에 전송되는 모든 데이터가 반드시 CPU를 거쳐야 한다면 가뜩이나 바쁜 CPU는 입출력장치를 위한 연산 때문에 시간을 뺏기게 된다. 하드 디스크 백업과 같이 대용량 데이터를 옮길 때는 CPU 부담이 더 커지게 된다.
• 따라서 입출력장치와 메모리가 CPU(Direct Memory Access)를 거치지 않고 상호작용할 수 있는 입출력 방식인 DMA가 등장했다.
• DMA는 직접 메모리에 접근할 수 있는 입출력 기능이다.
• DMA 입출력을 하기 위해서는 시스템 버스에 연결된 DMA 컨트롤러라는 하드웨어가 필요하다.
  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 수행한다. 이때 DMA 컨트롤러는 필요한 경우 메모리에 직접 접근하여 정보를 읽거나 쓴다.
  3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.
  • 위 과정을 보면 입출력장치와 메모리 사이에 주고받을 데이터는 CPU를 거치지 않는다.
  • DMA 컨트롤러는 시스템 버스로 메모리에 직접 접근이 가능하지만, 시스템 버스는 공용 자원이기 때문에 동시 사용이 불가능하다.
  • 즉 CPU가 시스템 버스를 사용할 때 DMA 컨트롤러는 시스템 버스를 사용할 수 없고, DMA 컨트롤러가 시스템 버스를 사용할 때는 CPU가 시스템 버스를 사용할 수 없다.
  • 따라서 DMA 컨트롤러는 CPU가 시스템 버스를 이용하지 않을 때마다 조금씩 시스템 버스를 이용하거나, CPU가 일시적으로 시스템 버스를 이용하지 않도록 허락을 구하고 시스템 버스를 집중적으로 이용한다.
  입출력 버스
  • CPU, 메모리, DMA 컨트롤러, 장치 컨트롤러가 모두 같은 버스를 공유하는 구성에서는 DMA를 위해 한 번 메모리에 접근할 때마다 시스템 버스를 두 번 사용하게 되는 부작용이 있다.
  • 메모리에서 DMA 컨트롤러로 데이터를 가져오기 위해 시스템 버스를 한 번 사용하고, DMA 컨트롤러의 데이터를 장치 컨트롤러로 옮기기 위해 시스템 버스를 또 한 번 사용한다.
  • 시스템 버스를 너무 자주 사용하면 그만큼 CPU가 시스템 버스를 이용하지 못한다.
  • 이 문제는 DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러들을 입출력 버스라는 별도의 버스에 연결하여 해결할 수 있다.
  • 컨트롤러들이 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.
  • 입출력 버스는 입출력장치를 컴퓨터 내부와 연결 짓는 통로라고 볼 수 있다.
  • 입출력 버스에는 PCI 버스, PCI Express 버스 등 여러 종류가 있다.
• DMA 입출력 과정