입력과 출력

개요

I/O 모듈

프로세서, 기억장치와 더불어 컴퓨터 시스템의 주요 구성요소이다.
컴퓨터 주변 장치를 시스템 버스에 연결하고, 주변 장치와 버스 사이의 통신 기능을 담당한다.

Untitled

I/O 모듈이 필요한 이유

왜 컴퓨터 주변 장치들이 시스템 버스에 직접 연결되지 않고, I/O 모듈을 거쳐서 연결될까?

주변 장치들은 종류가 다양하며, 운용방식이 각기 다르기 때문이다.
주변 장치의 데이터 전송률은 기억장치 또는 프로세서에 비해서 훨씬 더 느리기 때문이다.
주변 장치들이 사용하는 데이터 형식 및 단어 길이가 프로세서와 다를 수 있기 때문이다.

외부 장치들

주변 기기들

인간이 읽고 쓸 수 있는 장치
- 컴퓨터 사용자와의 통신에 적합한 장치이다.
- 예시) 모니터, 프린터, 키보드 등
기계가 읽을 수 있는 장치
- 기계 장치와의 통신에 적합한 장치이다.
- 예시) 자기 디스크, 센서 등
통신 장치
- 원격 장치와의 통신에 적합한 장치이다.
- 예시) 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드 등

I/O 모듈과의 인터페이스

“I/O 모듈”과 “외부 I/O 장치” 간의 통신 신호
- 제어 신호
- 상태 신호
- 데이터
외부장치의 블록 다이어그램
- 시스템 버스
  - Control Bus
    - Control 신호(제어신호), Status 신호(상태신호) 처리
  - Address Bus
    - I/O Module 과 I/O 장치가 직접 연결되어 있어서 Address Bus를 사용할 필요가 없다.
    - I/O Module 과 I/O 장치가 직접 연결되어 있기 때문에, 주소를 I/O Module이 알고있다.
  - Data Bus

I/O 모듈

I/O 모듈의 기능

제어와 타이밍
프로세서와 통신
장치들과의 통신
데이터 버퍼링
오류검출

I/O 모듈의 기능은 위와 같다. 이제부터 하나씩 자세히 알아보자.

제어와 타이밍

내부 자원과 외부 I/O 장치들 사이의 통신 흐름을 조정한다.
예시) 외부 I/O 장치에서 프로세서로의 데이터 전송 제어 절차
1. 프로세서가 I/O 모듈에게 그 모듈에 부착된 장치의 상태를 검사하도록 요청한다.
2. I/O 모듈이 그 장치의 상태를 알려준다.
3. 그 장치가 작동할 수 있고 전송이 가능한 상태라면, 프로세서는 I/O 모듈에게 데이터 전송을 요청한다.
4. I/O 모듈은 외부 I/O 장치로부터 데이터를 수신한다.
5. 데이터가 I/O 모듈로부터 프로세서로 전송된다.

프로세서와 통신

명령 해독: 프로세서로부터 수신한 명령어를 해독한다.
데이터: 프로세서와 I/O 모듈 사이의 데이터 교환
상태보고: 외부 I/O 장치의 속도가 느리므로 I/O 모듈의 상태를 확인해야 한다.
주소 인식: I/O 모듈이 제어하는 주변장치의 주소를 인식한다.

장치들과의 통신

명령, 상태 정보 및 데이터를 전송한다.

데이터 버퍼링

주기억장치/프로세서와 주변장치 간의 데이터 전송률의 불일치 해소
데이터는 I/O 모듈 내에 일시적으로 저장되었다가 적절한 속도로 주변장치로 전송된다.

오류검출

기계적, 전기적 오동작 및 데이터 전송 중 발생하는 비트 오류를 검출한다.
오류 검출 코드를 이용한다.

I/O 모듈의 구성요소

아래는 I/O 모듈의 구성요소이다.

신호선
- 제어, 주소, 데이터 신호선
상태 레지스터
외부 장치 인터페이스

Untitled

I/O 모듈의 기능

외부장치의 속성을 프로세서로부터 감춘다.
- 즉, 프로세서는 외부 I/O 장치에 대한 구체적인 내용을 몰라도 된다.
- I/O 모듈: I/O 장치의 세부적인 내용을 처리한다.
- 프로세서: 단순히 읽기, 쓰기, 등의 명령만으로 장치를 제어한다.
하나 또는 다수의 외부장치를 지원한다.

프로그램 I/O

I/O 동작의 세가지 기법

프로그램 I/O
- 프로세서가 “외부 I/O 장치의 상태 감지”, “읽기/쓰기 명령의 전송”, “데이터 전송” 등과 같은 I/O 동작을 직접 제어한다.
- 즉, I/O모듈이 존재하지 않는다. 프로세서가 모든 것을 처리한다.
- 프로세서가 읽기/쓰기에 관여한다.
인터럽트-구동 I/O
- 프로세서가 I/O 명령을 보낸 다음, I/O모듈이 그 일을 완료하고 인터럽트를 보낼때까지 다른 명령어들을 수행한다.
- I/O 명령후, 다른 일을 프로세서가 수행한다. (인터럽트를 받을 때까지)
- 프로세서가 읽기/쓰기에 관여한다.
직접 기억장치 액세스 (DMA)
- I/O 모듈과 주기억장치가 프로세서의 개입없이 데이터를 직접 교환한다.
- DMA 칩을 통해 수행된다.
- 프로세서가 읽기/쓰기에 관여하지 않는다.

Untitled

프로그램 I/O의 동작

프로세서가 프로그램 수행 도중 I/O 관련 명령어를 만나면, 해당 I/O 모듈에게 명령을 보냄으로써 그 명령어를 실행한다.
I/O 모듈은 요구된 연산을 수행한 뒤에, I/O 상태 레지스터를 세팅한다.
- 이때 I/O 모듈은 프로세서를 방해하지 않는다.
연산이 완료될 때까지 주기적으로 I/O 모듈의 상태를 검사하는 것은 프로세서의 책임이다.
- 프로세서는 I/O 모듈의 상태에 따라 대기할 수 있다.

I/O 명령들

제어
검사
읽기
쓰기

위 항목은 I/O 관련 명령들이다.

I/O 장치의 주소 지정방식

기억장치-사상 I/O
- 기억장소와 I/O 장치들이 하나의 주소 공간을 갖는다.
- 프로세서는 I/O 모듈 내의 레지스터를 기억장치와 동일하게 취급한다.
- 기억장치의 읽기/쓰기 동작과 유사하게 I/O 장치에 읽기/쓰기가 가능하다.
  - 하지만 메모리 주소가 낭비된다. (따로 떼어내서 줘야하므로)
고립형 I/O
- I/O에 대한 주소 공간과 기억장치의 주소 공간이 분리된다.
- I/O 장치와 기억장치 선택선(line)이 필요하다.
  - 선택선: I/O 장치인지, 기억장치인지 구분할 수 있는 선
- I/O 장치 조작을 위한 별도의 명령어가 필요하다.

Untitled

인터럽트-구동 I/O

프로그램 I/O의 문제점

I/O 모듈이 데이터를 수신 또는 송신할 준비가 될 때까지 프로세서가 대기한다.
전체 시스템의 성능 저하가 유발된다.

인터럽트-구동 I/O란?

프로세서로부터 입출력 명령을 받은 I/O 모듈이 동작하는 동안, 프로세서가 다른 프로그램을 처리하도록 한다.
I/O 모듈은 프로세서와 데이터 교환이 준비되었을 때, 프로세서에게 인터럽트를 보내어 서비스를 요구한다.
이때 프로세서는 그에 따른 데이터 전송을 수행한 다음, 이전에 처리하던 일을 계속 수행한다.
하지만 데이터는 반드시 프로세서를 거처야하므로, 인터럽트 I/O도 여전히 많은 프로세서 시간을 소비한다.

인터럽트-구동 I/O의 동작: 읽기

I/O 모듈 관점
1. 프로세서로부터 READ 명령을 수신한다.
2. I/O 모듈은 해당 입출력 장치로부터 데이터를 읽는다.
3. 데이터가 I/O 모듈의 데이터 레지스터에 저장되면, 모듈은 제어선을 통해 프로세서로 인터럽트 신호를 보낸다.
4. I/O 모듈은 프로세서가 데이터를 요구할 때까지 기다린다.
5. 요구가 오면 모듈은 그 데이터를 데이터 버스로 보낸 다음, 다른 I/O 동작을 위해서 준비한다.
프로세서 관점
1. 프로세서가 I/O 모듈로 READ 명령을 보낸다.
2. 다른 일을 처리한다.
3. 각 명령어 사이클의 마지막 순간에, 프로세서가 인터럽트 검사를 한다.
  - 인터럽트 검사: 인터럽트가 발생했는가?
4. I/O 모듈로부터 인터럽트가 발생하면, 프로세서는 현재 프로그램 문맥을 저장한 후 인터럽트를 처리한다.
5. 프로세서는 I/O 모듈로부터 데이터를 읽어서 기억장치에 저장한다.
6. 인터럽트 처리 후, 이전에 수행하던 프로그램 문맥을 복구하여 그 일을 계속한다.

인터럽트 처리 과정

I/O 모듈이 프로세서로 인터럽트를 보낸다.
프로세서는 인터럽트에 응답하기 전, 현재 실행 중인 명령어의 실행을 완료한다.
- 현재 실행 중이던 하나의 명령어를 마저 수행한다.
프로세서는 인터럽트를 검사하고 인터럽트가 있다면, 그 요구를 발생한 장치에 확인 신호를 보낸다.
프로세서는 인터럽트 서비스 루틴(ISR)으로 제어를 넘겨줄 준비를 한다.
- 프로그램 상태 단어(PSW)와 프로그램 카운터(PC) 내용을 스택에 저장한다.
인터럽트 처리 프로그램의 시작 주소를 PC에 저장한다.
PC가 인터럽트 서비스 루틴의 시작 위치를 가리키도록 갱신한다.
인터럽트 처리기가 인터럽트를 처리한다.
인터럽트 처리가 완료되면, 저장된 레지스터의 내용들이 스택으로 인출되어 레지스터들로 복원된다.
PSW와 PC의 내용을 스택으로부터 복원한다.
- 기존에 수행 중이던 컨텍스트로 돌아온다.

Untitled

인터럽트-구동 I/O 구현을 위한 설계 이슈

수많은 I/O 모듈 중에서, 인터럽트를 발생한 장치를 어떻게 찾아낼 것인가?
여러 개의 인터럽트가 발생했을 때, 처리할 인터럽트를 어떻게 결정하는가?

인터럽트-구동 I/O를 구현하기 위해 고려해야 하는 것은 위와 같다. 하나씩 자세히 알아보자.

설계 이슈 해결방법 종류

다수 인터럽트 선 (Multiple Interrupt Lines)
소프트웨어 폴 (Software Poll)
데이지 체인 (Daisy Chain, Hardware Poll)

각 방법들에 대해 하나씩 알아보자.

설계 이슈 해결방법: 다수 인터럽트 선

프로세서와 I/O 모듈 사이에 여러 개의 인터럽트 선을 제공하는 방식이다.
- 인터럽트 요구 선 (Interrupt Request: INTR)
- 인터럽트 확인 선 (Interrupt Acknowledge: INTA)
- 위 선들이 각 I/O 모듈과 프로세서를 연결해준다.

Untitled

장점
- 인터럽트를 요구한 장치를 찾기가 쉽다.
단점
- HW가 복잡하다.
- I/O 장치 수가 프로세서의 인터럽트 요구 입력 핀 수에 제한된다.

설계 이슈 해결방법: 소프트웨어 폴

모든 I/O모듈에 접속된 TEST I/O 선을 이용하여, 프로세서가 인터럽트를 요구한 장치를 검사한다.
프로세서는 특정 명령선을 활성화시키고, I/O 모듈들의 주소를 순서대로 내보낸다.
I/O 모듈 검사 순서를 우선 순위로 삼는다.
- 즉 인터럽트가 동시에 요청되었을 때, Test I/O로 먼저 확인된 제어기를 먼저 처리하게 된다.

Untitled

장점
- 우선 순위의 변경이 용이하다.
- 하드웨어가 필요하지 않다.
단점
- 처리 시간이 오래 걸린다.
  - 일일이 제어기에게 물어봐야하기 때문이다.

설계 이슈 해결방법: 데이지 체인

모든 I/O 모듈이 하나의 인터럽트 요구 선 (INTR)을 공유한다.
인터럽트 확인 신호 (INTA)를 위해, 데이지 체인 형태로 연결한다.
- 프로세서와 가까운 모듈의 우선순위가 높다.
동작 원리
1. I/O 모듈이 인터럽트를 요구한다.
2. 프로세서가 확인신호를 보낸다.
  - 이 신호는 요구한 모듈에 도착할 때까지 모듈들을 통과하여 전파된다.
3. 인터럽트를 요구한 모듈은 데이터 버스를 통해, 인터럽트 벡터를 보낸다.

설계 이슈 해결방법: 버스 중재

I/O 모듈이 인터럽트를 요구하기 전에 먼저 버스에 대한 사용권을 얻는다.
어느 한 순간에 하나의 모듈만이 인터럽트를 보낼 수 있다.
프로세서는 인터럽트를 감지하면 인터럽트 확인 신호를 활성화함으로써 응답한다.

직접 기억장치 액세스 (Direct Memory Access: DMA)

프로그램 I/O와 인터럽트-구동 I/O의 결점

I/O 전송률이 프로세서가 장치를 검사하고 서비스하는 속도에 의해 제한된다.
프로세서가 I/O 전송 관리를 위해 많은 시간을 소모한다.

DMA란?

기억장치와 I/O 모듈 간의 데이터 전송을 별도의 하드웨어인 DMA 모듈(제어기)가 처리한다.
프로세서는 전송의 시작과 끝부분에만 관여한다.
기존 방식

DMA 동작

CPU가 DMA 제어기로 아래 정보를 포함한 명령을 전송한다.
- 연산(쓰기/읽기) 지정
- I/O 장치의 주소
- 데이터가 읽히거나 쓰여질 주기억장치 영역의 시작 주소
- 전송될 데이터 단어들의 수
DMA 제어기는 CPU로 버스 요구 신호 (Bus Request)를 전송한다.
CPU가 DMA 제어기로 버스 승인 (Bus Grant) 신호를 전송한다.
DMA 제어기가 주기억장치로부터 데이터를 읽거나 쓴다.
전송할 데이터가 남아있으면 2~4번까지를 반복한다.
모든 데이터들의 전송이 완료되면 DMA가 CPU로 INTR(인터럽트) 신호를 전송한다.

프로세서가 DMA에 명령을 보낸 다음 프로세서는 다른 일을 계속한다.

DMA 전송 사이클 스틸링 (Cycle Stealing)

사이클 스틸링이란?
- CPU와 Main Memory가 서로 통신을 하지 않을 때만 DMA가 시스템 버스를 사용하는 것을 의미한다.
DMA 제어기가 데이터 전송을 위해서 버스 사이클을 사용한다.
- DMA 모듈은 한 단어를 전송한 뒤에 버스를 프로세서에 돌려준다.
사이클 스틸링은 인터럽트가 아니다.
- 프로세서가 상태 정보를 저장하지 않으며, 한 버스 사이클 동안 잠시 정지하는 것이다.
- 즉, 단순히 프로세서는 기다린다.
프로세서의 실행속도가 저하되기는 한다.
- 하지만, 인터럽트-구동 I/O 보다는 효율적이다.

Untitled

여러 가지 DMA 구성 방법

단일 버스, 분리된 DMA
- 모든 모듈이 한 개의 시스템 버스를 공유한다.
- 비용은 적지만 비효율적이다.
단일 버스, 통합된 DMA-I/O
- DMA 모듈과 I/O 모듈 사이에 별도의 경로가 존재한다.
I/O 버스
- I/O 모듈들은 I/O 버스를 통해 DMA 모듈에 연결된다.

예시: 인텔 8237A DMA 제어기

인텔 사의 8237A DMA 제어기 칩을 예시로 삼아, DMA가 데이터를 기억장치에서 디스크로 전송하는 과정을 알아보자.

Untitled

I/O 장치가 DREQ(DMA Request) 를 통해서, DMA에 서비스를 요구한다.
DMA는 HRQ(Hold Request) 를 통해서, CPU에 버스 사용을 요구한다.
CPU는 HDLA(Hold Acknowledge) 를 통해서, DMA에 버스 사용을 허락한다.
DMA는 DACK(DMA Acknowledge) 를 통해서, 데이터 전송을 알린다.
DMA는 블록의 첫번째 바이트의 주소를 버스에 싣는다. 그리고 MEMR 신호를 활성화시켜 데이터 전송을 시작한다.
데이터 전송 후, DMA는 HRQ를 비활성화시켜 CPU에 버스 사용 종료를 알린다.

I/O 채널

I/O 기능의 발전 과정

I/O 기능이 어떻게 발전해왔는지 알아봄과 동시에 지금까지의 내용을 정리해보자. 추가적으로 I/O 채널에 대해서도 알아보자.

CPU가 I/O 주변장치를 직접 제어한다.
제어기 또는 I/O 모듈이 추가된다.
- 프로세서가 인터럽트 없는 프로그램 I/O를 사용한다.
- 아직까진 프로세서가 직접 데이터 R/W 작업에 관여한다.
인터럽트가 추가된다.
- 프로세서가 I/O 동작이 수행되는 것을 기다리지 않으므로 효율이 향상된다.
DMA를 통하여 I/O 모듈이 기억장치를 직접 액세스한다.
- 프로세서의 개입 없이 데이터 전송이 가능하다.
I/O 모듈이 ‘I/O 동작을 위한 특수 명령어 세트를 가진 프로세서’를 포함한다.
- 이것을 I/O 채널이라고 한다.
- I/O채널 = I/O 작업만을 위한 프로세서
- 프로세서는 기억장치에 있는 I/O 프로그램의 수행을 I/O 프로세서에 지시하고, 동작 전체가 완료된 시점에만 인터럽트된다.
I/O 모듈이 자신의 지역기억장치를 포함한다.

I/O 채널의 특성

I/O 채널은 DMA 개념을 확장한 것이다.
I/O 채널은 I/O 명령어를 실행할 수 있는 능력을 가지므로, I/O 동작에 대한 완전한 제어권을 갖는다.
프로세서가 I/O 명령어를 실행하지 않고, I/O 채널 내에 있는 특수목적용 프로세서가 실행된다.
- 프로세서가 I/O 채널에게 기억장치에 있는 프로그램을 실행하도록 지시함으로써 I/O 전송을 시작한다.

성결대학교 컴퓨터 공학과 최정열 교수님 (2021)
William Stalling, 『컴퓨터시스템구조론(10판)』

본 게시글은 위 강의 및 교재를 기반으로 정리한 글입니다.