인터럽트 기반 입출력, DMA 입출력

[3Juhwan]

입출력 작업을 수행하려면 CPU와 장치 컨트롤러가 정보를 주고받아야 합니다. 그렇다면 장치 컨트롤러는 CPU와 어떻게 정보를 주고받을까요?

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인터럽트 기반 입출력

장치 컨트롤러가 입출력 작업이 완료하고 하드웨어 인터럽트를 발생시켜 CPU에 이를 알리는 방식이다.

1. 입출력 요청: CPU가 장치 컨트롤러에게 입출력 작업을 요청한다.
2. 장치 컨트롤러의 I/O 작업: 요청을 받은 장치 컨트롤러는 작업을 처리하기 시작한다. 이 과정에서 CPU는 계속해서 다른 작업을 수행한다.
3. 인터럽트 발생: 장치 컨트롤러가 작업을 완료하면, CPU에 하드웨어 인터럽트를 보낸다.
4. 인터럽트 처리: CPU는 현재 수행 중이던 작업을 일시 중지하고, 인터럽트를 처리한다. 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
5. 작업 재개: 인터럽트 처리가 완료되면, CPU는 이전에 중단된 작업을 다시 시작한다.

• PIC
  여러 장치 컨트롤러와 상호작용하는 CPU는 동시에 여러 하드웨어 인터럽트를 만날 수 있다. 인터럽트는 우선순위에 따라 처리되어야 하는데, 많은 컴퓨터에서는 PIC(Programmable Interrupt Controlle)를 사용한다. PIC는 여러 장치 컨트롤러에 연결되어 어떤 인터럽트 요청을 먼저 처리해야 하는지 CPU에 알린다.

DMA 입출력 방식

CPU의 개입을 최소화하면서 메모리와 I/O 장치 간에 데이터를 전송하는 효율적인 방법이다. 전송할 데이터가 반드시 CPU를 거치는 기존 방식과 다르게, 메모리와 I/O 장치 간에 직접 데이터가 이동한다. 이것은 DMA 컨트롤러가 제어한다.

DMA 입출력 과정

1. CPU는 DMA 컨트롤러에 입출력장치의 주소, 수행할 연산, 읽거나 쓸 메모리의 주소 등과 같은 정보로 입출력 작업을 명령한다.
2. DMA 컨트롤러는 CPU 대신에 장치 컨트롤러와 상호작용하며 입출력 작업을 수행한다. 이때, 필요하면 DMA 컨트롤러는 직접 메모리에 접근한다.
3. 입출력 작업이 끝나면 DMA 컨트롤러는 CPU에 인터럽트를 걸어 작업이 끝났음을 알린다.

CPU는 오로지 입출력 작업의 시작과 끝에만 인터럽트로 관여하면 된다.

입출력 버스
DMA가 시스템 버스를 통해 메모리에 접근한다고 생각해 보자. 시스템 버스는 CPU가 사용하는 자원으로 DMA와 공유하게 되면 오버헤드가 발생한다.
데이터는 메모리에서 DMA 컨트롤러로 시스템 버스를 통해 이동하고, DMA 컨트롤러에서 장치 컨트롤러로 시스템 버스를 통해 이동한다. 시스템 버스를 2번 사용한다.
DMA가 시스템 버스를 사용하는 대신에 대부분의 컴퓨터는 입출력 버스를 두어, DMA 컨트롤러와 장치 컨트롤러 사이에 데이터를 이동한다. 이렇게 시스템 버스의 사용 빈도를 줄일 수 있다.