🖥️ Device Controller
I/O Device는 각자의 Device Controller를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받습니다. 또한 Device Controller는 하나 이상의 I/O Device와 연결되어 있습니다.
Device Controller가 필요한 이유는 다음과 같습니다.
- 다양한 I/O Device와 정보를 주고 받는 방식을 규격화하기 위해서 필요
- CPU(Central Processing Unit; 중앙처리장치)나 메모리의 전송률(Transfer Rate)에 비해서 I/O Device가 낮은 전송률을 가지고 있기 때문에 필요
Device Controller의 역할은 다음과 같습니다.
- CPU와 I/O Device 간의 통신을 중개
- 오류를 검출
- CPU와 I/O Device의 전송률 차이를 Data Buffering으로 완화
Device Controller의 구조는 다음과 같습니다.
- Data Register
- CPU와 I/O Device 사이에 주고 받을 데이터가 저장되는 Register
- Data Buffering을 담당
- 주고 받는 데이터가 많은 I/O Device에서는 Register 대신 RAM을 사용
- Status Register
- I/O Device가 I/O 작업을 할 준비가 되었는지, 완료가 되었는지, 오류가 없는지 상태가 저장되는 Register
- Control Register
- I/O Device가 수행할 내용에 대한 제어정보와 명령이 저장되는 Register
🖥️ Device Driver
Device Driver는 Device Controller의 동작을 감지하고 제어함으로써 Device Controller가 컴퓨터 내부와 정보를 주고받을 수 있게 하는 프로그램입니다.
OS(Operating System)가 연결된 I/O Device의 Device Driver를 인식하고 실행할 수 있다면 해당 장치는 어떤 회사에서 만들어진 제품이든 생김새가 어떻든 상관없이 컴퓨터 내부와 정보를 주고 받을 수 있습니다.
🖥️ 다양한 I/O의 종류
🖥️ Program I/O
Program I/O는 프로그램의 명령어로 I/O Device를 제어하는 방법입니다.
이 때 CPU가 프로그램 속 명령어를 수행하기 위해서는 I/O Device의 Register 주소를 알아야 하는데 해당 Register 주소를 CPU에게 알려주는 방식에 크게 두 가지 방식이 있습니다.
| Memory-Mapped I/O | Isolated I/O |
|---|---|
| 메모리를 위한 주소 공간과 I/O Device를 위한 주소 공간을 하나의 주소 공간으로 간주하는 방법 | 메모리를 위한 주소 공간과 I/O Device를 위한 주소 공간을 분리하는 방법 |
| 메모리 주소 공간이 축소 | 메모리 주소 공간이 축소되지 않음 |
| 메모리와 I/O Device에 같은 명령어를 사용 | I/O 전용 명령어 사용 |
🖥️ Interrupt-Driven I/O
Interrupt-Drive I/O란 Device Controller에 의해 발생한 Interrupt를 기반으로 하는 I/O를 말합니다.
🖥️ PIC(Programable Interrupt Controller)
PIC는 여러 Device Controller에 연결되어 각 Device Controller에서 보낸 Interrupt들의 우선순위를 판별한 뒤 CPU에게 먼저 처리해야할 Interrupt를 알려주는 H/W입니다.
PIC의 Interrupt 처리 과정은 다음과 같습니다.
- PIC가 Device Controller로부터 온 Interrupt 요청 신호를 받아들임
- PIC는 Interrupt 우선순위를 판단한 뒤 CPU에게 먼저 처리해야 할 Interrupt 요청 신호를 전달
- Interrupt를 전달 받은 CPU는 PIC에게 전달 받았다는 확인 신호를 보냄
- PIC는 Data Bus를 통해 CPU에게 Interrupt Vector를 보냄
- CPU는 전달 받은 Interrupt Vector를 통해 ISR(Interrupt Service Routine)을 실행
PIC는 NMI(Non-Maskable Interrupt)까지 우선순위를 판별하지 않으며 PIC가 우선순위를 조정해주는 Interrupt는 Maskable Interrupt입니다.
🖥️ DMA(Direct Memory Access)
DMA란 CPU를 거치지 않고 메모리와 I/O Device 간의 데이터를 주고받는 I/O 방식입니다. DMA를 사용하게 되면 CPU는 오로지 I/O의 시작과 끝에만 관여하면 되기 때문에 CPU의 부담을 줄일 수 있습니다.
DMA Controller는 원래 System Bus를 사용하여 DMA를 수행합니다. 그러나 메모리와 데이터를 주고받을 때 그리고 I/O Device와 메모리를 주고받을 때 총 두 번 System Bus를 사용하기 때문에 CPU의 System Bus 사용을 방해합니다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 DMA Controller가 I/O Device와 데이터를 주고 받을 때는 I/O Bus라는 별도의 Bus를 사용합니다. 그 결과 System Bus의 사용을 한 번으로 줄이게 됩니다.
DMA의 과정은 다음과 같습니다.
- CPU는 DMA Controller에게 I/O를 명령
- DMA Controller는 CPU 대신 Device Contoller와 상호작용하며 I/O를 수행
- I/O가 끝나면 DMA Controller는 CPU에게 Interrupt 요청 신호를 전달