16 Input & Output process

다양한 형태의 입출력 방식들은 프로그램이 데이터를 주고 받는 방식에 대한 다양한 접근을 제공합니다.

1) 프로그램 입출력 

이는 가장 기본적인 입출력 방식으로, 프로그램이 직접 입출력 작업을 수행하는 방식입니다. 프로그램이 데이터를 읽거나 쓸 때, 입출력 명령을 통해 제어를 직접 수행합니다. 이 방식은 단순하고 직관적이지만, 입출력 작업이 진행되는 동안 CPU가 다른 작업을 수행할 수 없다는 단점이 있습니다.

 

메모리에 저장된 정보를 하드디스크로 백업(=저장 or 쓰기)한다고 해봅시다. 

1. CPU는 하드 디스크 컨트롤러의 제어 레지스터에 '쓰기 명령' 전달
2. 하드 디스크 컨트롤러는 하드 디스크의 상태를 확인한 다음 상태 레지스터에 '준비 완료' 표시
3. 하드 디스크가 준비되었다면 데이터 레지스터에 백업할 메모리의 정보를 데이터 레지스터에 쓰기

제어 레지스터(Control Register): 하드 디스크의 동작을 제어하는 데 사용됩니다. 이 레지스터에는 어떤 동작을 수행할 것인지에 대한 정보가 포함됩니다. 예를 들면, 읽기 작업을 시작하거나 쓰기 작업을 시작하는 명령 등이 있습니다.

상태 레지스터(Status Register): 하드 디스크의 현재 상태를 나타냅니다. 이 레지스터는 하드 디스크가 현재 어떤 동작을 수행 중인지(읽기 중, 쓰기 중, 대기 중 등)와 같은 정보를 담고 있습니다.

데이터 레지스터(Data Register): 실제 데이터가 이 레지스터를 통해 읽거나 쓰여집니다. 읽기 작업을 수행할 때 하드 디스크에서 읽은 데이터가 이 레지스터에 저장되고, 쓰기 작업을 수행할 때는 이 레지스터에 쓰여진 데이터가 하드 디스크로 전송됩니다.

전반적으로, 입출력 장치(예: 하드 디스크)를 제어하기 위해 제어 레지스터를 사용하고, 장치의 상태를 확인하기 위해 상태 레지스터를 읽으며, 실제 데이터를 전송하기 위해 데이터 레지스터를 사용하는 것이 일반적인 입출력 시스템의 동작 방식입니다.

 

2) 메모리 맵 입출력 (Memory-Mapped I/O)

입출력 장치의 레지스터와 메모리 주소 공간이 겹치는 방식입니다. 입출력 장치의 레지스터를 메모리 주소 공간에 할당하고, 프로그램은 메모리에 접근하는 것처럼 입출력 레지스터에 접근할 수 있습니다.

 

3) 고립형 입출력 (Isolated I/O)

동작 원리: 프로그램이 입출력 명령을 전달하면, 입출력 장치는 작업을 직접 수행하고 작업이 완료되면 CPU에게 알리지 않습니다. 즉, 입출력 작업이 완료되는 동안 CPU는 대기 상태에 있습니다.

장점: 단순하며 구현이 쉽습니다. 특히 입출력 장치가 작고 간단한 경우에 효과적일 수 있습니다.
단점: CPU가 입출력 작업이 완료될 때까지 대기해야 하므로, 효율성이 낮을 수 있습니다. 다른 작업을 수행하지 못하고 대기하게 되기 때문입니다.

 

4) 인터럽트 기반 입출력 (Interrupt-Driven I/O)

프로그램이 입출력 명령을 전달하면, 입출력 장치는 작업을 시작하고 작업이 완료되면 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알립니다. CPU는 현재 수행 중인 작업을 중단하고, 해당 인터럽트를 처리하여 입출력 작업의 완료를 확인합니다.

장점: CPU가 입출력 작업이 완료될 때까지 대기하지 않고 다른 작업을 수행할 수 있습니다. 이는 시스템의 효율성을 높일 수 있습니다.
단점: 인터럽트 처리에 대한 오버헤드가 있을 수 있으며, 복잡한 구현이 필요할 수 있습니다. 또한, 인터럽트 처리에 관한 우선순위와 관리가 필요합니다.

 

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PIC(Programmable Interrupt Controller)

PIC(Programmable Interrupt Controller)는 컴퓨터 시스템에서 하드웨어 인터럽트를 관리하는 장치입니다. 주로 여러 하드웨어 디바이스로부터 발생하는 인터럽트를 관리하고, 우선순위를 지정하여 CPU에 전달합니다. 대표적인 PIC로는 8259A가 있습니다.

주요 기능

• 인터럽트의 마스킹 (Interrupt Masking): 특정한 인터럽트를 마스크하여 해당 인터럽트를 무시하도록 설정할 수 있습니다. 이는 특정 상황에서 특정 인터럽트를 처리하지 않도록 할 때 유용합니다.
• 인터럽트의 우선순위 지정: PIC는 각 인터럽트에 대해 우선순위를 부여할 수 있습니다. 이를 통해 여러 디바이스에서 발생한 인터럽트 중에서 어떤 것을 먼저 처리할지를 결정할 수 있습니다.
• 다중 PIC 구성 (Cascading): 여러 개의 PIC를 연결하여 사용할 수 있습니다. 이를 통해 더 많은 인터럽트를 처리할 수 있습니다. 주로 Master PIC와 Slave PIC로 구성되며, Master PIC는 CPU에 직접 연결되고, Slave PIC는 Master PIC에 연결되어 더 많은 인터럽트를 처리합니다.
• 인터럽트 벡터 할당: PIC는 각 인터럽트에 대해 고유한 인터럽트 벡터 번호를 할당합니다. 이를 통해 운영체제는 어떤 인터럽트가 발생했는지를 식별할 수 있습니다.

전통적으로 8259A PIC는 8개의 인터럽트를 관리하며, 이는 IRQ(Interrupt Request)라고 불리는 인터럽트 선으로부터 발생합니다. 더 현대적인 컴퓨터 시스템에서는 APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller) 등 더 발전한 형태의 인터럽트 컨트롤러가 사용되고 있습니다

 

 

DMA 입출력 

DMA(Direct Memory Access)는 컴퓨터 시스템에서 입출력 장치와 메모리 간 데이터 전송을 효과적으로 처리하기 위한 메커니즘입니다. DMA를 사용하면 CPU가 직접 관여하지 않고, 입출력 장치와 메모리 간 데이터를 전송할 수 있습니다.

주요 특징

• 비동기적 전송: DMA는 입출력 작업을 CPU에 의존하지 않고 별도로 처리합니다. 따라서 CPU는 다른 작업을 수행할 수 있습니다.
• 높은 전송 속도: DMA는 CPU와는 별도로 데이터를 전송하기 때문에, 입출력 장치와 메모리 간의 데이터 전송이 빠르게 이루어질 수 있습니다.
• 메모리 접근 권한: DMA는 메모리에 직접 접근할 수 있으므로, 입출력 장치와 메모리 간의 데이터 전송에 있어서 높은 효율성을 제공합니다.

동작 과정

• DMA 요청: 입출력 장치는 데이터 전송을 위해 DMA에 요청을 보냅니다.
• DMA 컨트롤러 활성화: DMA 컨트롤러는 요청을 받으면 CPU에게 인터럽트를 발생시키고, CPU는 DMA 컨트롤러를 활성화합니다.
• 메모리 접근: DMA 컨트롤러는 CPU가 아닌 직접 메모리에 접근하여 데이터를 읽거나 씁니다.
• 전송 완료: 데이터 전송이 완료되면 DMA 컨트롤러는 CPU에게 인터럽트를 발생시키고, CPU는 이를 처리하여 입출력 장치와의 데이터 전송이 완료되었음을 확인합니다.

DMA 컨트롤러(Direct Memory Access Controller)

• DMA 컨트롤러(Direct Memory Access Controller)는 컴퓨터 시스템에서 DMA 기능을 관리하고 제어하는 장치입니다.
• DMA 컨트롤러는 CPU의 간섭 없이 입출력 장치와 메모리 간의 데이터 전송을 수행하며, 이를 통해 높은 성능과 효율성을 제공합니다.

DMA를 사용함으로써 CPU는 입출력 작업의 진행 상태를 계속 확인하거나 데이터를 직접 전송하는 데 필요한 시간을 절약할 수 있습니다. 이는 특히 대용량의 데이터 전송이 필요한 경우나 고속 입출력 장치와의 효율적인 상호작용을 위해 유용합니다.

 

 

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프로그램 입출력 

(Programmed I/O): The basic input/output method where the program directly controls the data transfer between the CPU

and I/O devices.

메모리 맵 입출력 

(Memory-Mapped I/O): A technique where I/O device registers are mapped to the memory address space, allowing the program to interact with I/O devices using memory read and write operations.

고립형 입출력

(Isolated I/O): A method where I/O devices independently perform operations without direct CPU involvement, and completion is signaled through interrupts without the CPU waiting.

인터럽트 기반 입출력 

(Interrupt-Driven I/O): An approach where I/O devices generate interrupts to signal the completion of an operation, allowing the CPU to perform other tasks while waiting for I/O completion.

DMA 입출력

(Direct Memory Access I/O): A mechanism enabling data transfer between I/O devices and memory without CPU intervention, improving efficiency by allowing the CPU to execute other tasks during the transfer.