입 출력 구조 파트1
1) 주변장치 (Peripheral Devices)
(1) 종류
- 입력장치
- 키보드, 마우스, 디지타어지, 마이크 ,카메라, 3축셍서 등
- 출력 장치
- 모니터, 프린터, 스피커, 서보 장치 등
- 입 출력 장치
- 저장 장치, TV-인코더, LC 터치 스크린 등
(2) 인터 페이스
주변 장치를 CPU에 연결하는 방법 (어떠한 device들이 CPU와 어떻게 연결하는가)
- 통신을 하는 데이터가 어떻게 표현되는가
- ASCII (American Standard Code For Information Interchange) 문자를 사용한다.
- Alphanumeric , 제어 문자
- 모든 device는 인터페이스를 가지고 있다.
2) 입출력 인터페이스 (Input-Output Interface)
CPU는 입출력 버스의 정보 흐름을 관리하는 I/O 제어를 갖고 있으며, 메모리로부터 명령어를 받아 인터페이스를 통하여 주변 장치와 통신한다.
인터페이스는 명령을 해석하고 주변 장치 제어기에 신호를 보낸다.
(1) 입출력 인터페이스의 기능
- CPU와 I/O 장치의 차이점을 해결한다.
- I/O 장치는 CPU에 비해 굉장히 느리다.
- 동작 방식 차이에 따른 데이터 신호값을 변환한다.
- 키보드, printer, disc가 사용하는 신호 방식과 cpu 사용하는 신호 방식이 다르다.
- 신호 방식
- TTL: 0이면 0볼트, 1이면 5볼트
- RS-232-C: 0이면 5볼트,1이면 -3볼트
- 서로 다른 신호 방식의 차이를 위함
- 전송 속도 동기화
- 데이터 코드 형식과 메모리 워드 형식 간 변환
- ASCII코드만 사용하는 것이 아니다!
- 주변 장치들 간의 동작 숭서와 순위 중재 및 조정한다.
- I/O 장치들이 동시에 CPU를 사용하려고 할때 중재
(2) I/O 버스와 인터페이스 모듈
입출력 버스를 통해 CPU와 인터페이스를 연결한다.
- 인터페이스가 실행하는 I/O 커맨드
| 입출력 커맨드 | 설명 |
|---|---|
| 제어 커맨드 | 주변 장치를 활성화, 동작을 정의 |
| 테스트 커맨드 | 상태를 확인 |
| 데이터 출력 커맨드 | 데이터의 출력을 전송 |
| 데이터 입력 커맨드 | 데이텨의 입력을 전송 |
(3) I/O 대 메모리 버스
CPU는 I/O 뿐만 아니라 메모리 장치와도 통신한다.
컴퓨터의 버스가 I/O와 메모리와 통신하는 세 가지 방법은 다음과 같다.
- 메모리 와 I/O는 각자 다른 버스를 사용한다.
- CPU와 IOP를 별도로 가지는 시스템에 사용된다.
- 메모리와 I/O가 공통의 버스, 개별 제어 라인을 사용한다.
- 메모리와 I/O가 공통의 버스와 제어라인을 사용한다.
입출력 구조 파트2
1) 비동기 데이터 전송 (Asynchronous Transfer)
인터페이스를 통해 데이터를 전송하고 받을 때, 통신하는 규격이 중요하다.
신호를 전송하는 규격과 규칙이 있다.
(1) 스트로브 제어
- 전송의 시간을 맞추기 위해 단 하나의 제어 라인을 사용한다.
송신 장치과 수신 장치 사이에는 데이터를 운반하는 데이터 버스와 유용한 데이터가 버스에 있음을 알리는 스트로브가 존재한다.
Source에서의 데이터 전송을 원한다면, (Source initiate)
Source에서 데이터를 데이터 버스에 올리고 스트로브 신호를 발생킨다.
- Destination이 데이터를 받아들일 만큼 충분한 시간 동안 데이터를 활성화된 상태로 만든다.
- Destination은 Source가 데이터를 보내고 있다는 것을 인지하게 되어 데이터(한 비트)를 수신 한다.
- 스트로브 신호를 통해 이게 나에게 보내는 데이터인지 확인할 수 있다.
- 스트로브 신호가 꺼지면 Destination이 데이터를 보내는 시간이 끝난 것을 알게 된다.
Destination에서의 데이터 수신을 원한다면, (Destination initiate)
Destination에서 스트로브 신호를 발생시킨다.
- Source가 데이터 버스에 데이터(한 비트)를 띄운다.
- 스트로브 신호를 통해 데이터를 받을 준비가 된 것을 확인 할 수 있다.
- Destination은 Source가 보낸 데이터를 받고 스트로브 신호를 끈다.
- 스트로브 신호가 꺼지면 Source는 Destination이 데이터를 받았음을 알게 된다.
:white_check_mark:문제점
- Source initiate의 경우 Destination이 데이터를 받았음을 알 수 없다.
- 스트로크 신호가 끊기거나 오류가 생기면,
- Destination은 Source가 데이터를 보내고 있음을 모르게 되어 데이터를 수신하지 않는다.
- Source는 일정 시간이 지나면 자동으로 데이터를 그만 보내기 때문에 Destination이 데이터를 안받았는지 모른다.
- Destinaion initiate의 경우 Source가 Destination이 데이터를 수신할 준비가 된 것을 모를 수 있다.
- 스트로크 신호가 끊기거나 오류가 생기면,
- Source는 Destination이 스트로크 신호를 보내고 있음을 모른다.
- Source가 데이터를 송신하지 않아, Destination은 Source가 보낼 데이터가 없다고 인지하게 된다.
상호 간에 데이터를 받았는지 확인하는 절차가 필요하다.
(2) 핸드쉐이킹 (HandShaking) 제어
- Source에 보내는 제어 신호를 추가하여 스트로브 제어의 문제점을 해결할 수 있다.
서로 악수하듯이 확인해서 핸드쉐이킹이라고 부른다.
Source에서의 데이터 전송을 원한다면, (Source initiate)
Source에서 데이터를 버스에 올리고 valid 신호를 보낸다.
- Destination이 버스에서 데이터를 받은 후 accepted 신호를 보낸다.
- 서로 신호를 끄면서, 데이터가 잘 전송 됨을 알 수 있다.
- 만약 accepted 신호를 일정 시간동안 안 보내면, time out 에러가 발생한다.
Destination에서의 데이터 수신을 원한다면, (Destination initiate)
Destination에서 ready for data 신호를 보낸다.
- Source에서 데이터 버스에 데이터를 올린 뒤, 데이터와 valid 신호를 보낸다.
- 서로 신호를 끄면서, 데이터가 잘 전송 됨을 알 수 있다.
- 만약 valid신호를 일정 시간동안 안 보내면,
(3) 비동기 직렬 전송
- TTL 전송
- 특별하지 않은 이상, 컴퓨터의 디바이스간의 전송은 TTL전송을 사용한다.
- 0V, 5V 신호로 데이터를 전송한다.
- 시작 비트1, 데이터 비트 8, 정지 비트 2. 총 11비트 단위로 8비트 데이터를 전송한다.
- 한 비트당 핸드 쉐이킹으로 보낸다….
- 데이터 신호(비트)의 간격 = 1/ 전송속도
- 데이터의 신호간격이 짧아질 수록 전송속도가 빨라진다.
- 그래서 신호의 간격이 중요하다.
- 전송 규칙
- 데이터가 전송되지 않을 때에는 항상 1신호(5v)를 유지한다.
- 문자 전송의 시작은 시작 비트 0으로 표시한다.
- 시작 비트 뒤로 8개의 데이터 비트를 표시한다.
- 마지막 비트 후, 2비트 이상의 1신호를 유지한다.
(4) 비동기 통신 인터페이스
I/O 장치의 비동기 통신을 위한 인터페이스로 UART가 있다.
- UART
- 일반적인 인터페이스의 형태이다.
- shife레지스터에 의해 한비트씩 8비트 전송을 하는 장치이다.
3) 전송 모드 (Modes of Transfer)
컴퓨터와 I/O장치 사이의 데이터 전송은 여러 가지 모드로 나뉘어진다. CPU의 도움을 통해 메모리로 전송하거나 I/O가 CPU의 도움 없이 데이터를 직접 메모리로 전송하는 방법이 있다.
(1) 입출력 전송 모드의 종류
- 프로그램된 I/O (Programmed I/O)
- 입출력 명령에 의하여 동작한다.
- 프로세서 레지스터와 주변 장치간 데이터 전송을 수행한다.
- 레지스터와 메모리간 데이터 전송을 수행한다.
- 주변 장치의 플래그에 기반한 입출력을 수행한다.
- 즉, CPU가 주관하여 I/O에서 입출력이 발생하는지 계속 확인한다.
- 인터럽트에 의한 I/O (Interruped I/O)
- 인터럽트에 의하여 입출력을 수행한다.
- 입출력이 준비되면 프로세서 인터럽트 요구를 수행한다.
- 인터럽트 처리 후 본래 프로그램을 계속 수행한다.
- 즉, CPU는 가만히 있고 I/O가 인터럽트를 통해
나 지금 데이터 전송한다라고 알려준다. 그때 프로그램된 I/O방식으로 데이터를 수행한다.
- 직접 메모리 접근 (DMA: Direct Memory Access)
- 데이터를 메모리 버스를 통하여 전송한다.
- DMA를 수행하는 전용 하드웨어 (DMA Controller)를 사용한다.
- 사이클 스틸링에 의한 버스를 효율화한다.
- 즉, CPU가 관여하지 않는다. 일종의 작은 형태의 iop라고 할 수 있다.
(2) 프로그램된 I/O
- I/O장치는 핸드셰이킹 방식으로 데이터를 전송한다.
제 11 장. 입출력 구조 part-3
1) 우선순위 인터럽트 (Priority Interrupt)
(1) 인터럽트 우선 순위
- 동시에 발생된 인터럽트의 우선 순위를 결정한다.
- 하드웨어 또는 소프트웨어 적으로 결정한다.
(2) 데이지 체인 (Daisy Chain) 우선 순위 인터럽트
- 우선 순위에 따라서 인터럽트 처리 프로그램의 벡터 주소(VAD)를 CPU로 전달한다.
- 인터럽트 발생하여 인터럽트를 처리할 수 있으면 CPU가 interrupt acknowledge를 보낸다.
- 만약 device1, device3에서 인터럽트가 발생하면, 먼저 device1에 interrupt acknowledge를 보낸다.
- device1의 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
- VAD(Vector address)1 -> 인터럽트 서비스 루틴 시작 위치)
- device1의 interrupt acknowledge를 device2를 보낸다.
- device2는 인터럽트를 발생시키지 않은 것이기 때문에 device3에게 그대로 다시 보낸다.
- device3는 인터럽트가 발생했기 때문에, VAD3를 CPU에 보내 서비스 루틴을 실행한다.
그 결과, 설계자는 중요한 device를 가장 먼저 interrupt를 실행하도록 설계해야 한다.
(3) 병렬 우선순위 인터럽트(Parallel Priority Interrupt)
- 우선 순위 인코더를 사용한다.
- 우선 순위에 따른 VAD를 생성한다.
- 설계자는 인터럽트 서비스 루틴이 시작하는 VAD를 잘 설계해야 한다.
- CPU에 인터럽트를 전달한다.
- Mask 레지스터를 사용한다.
- 인터럽트 요청의 상태를 조절할 수 있다.
(4) 인터럽트 동작
- 초기 동작
- 보다 낮은 단계의 mask 레지스터 비트를 0으로 set한다. (내 아래에 있는 애들의 인터럽트는 무시한다!)
- 인터럽트 상태 비트 IST <- 0 ( 더 높은 단계의 인터럽트가 올 수 있도록 한다. )
- 프로세서에 레지스터 비용(PSW)를 저장한다.
- 인터럽트 인에이블 비트 IEN <- 1 (더 높은 단계의 인터럽트가 올 수 있도록 한다. )
- 인터럽트 서비스 프로그램을 계속 실행한다.
- 최종 동작
- 인터럽트 인에이블 비트 IEN <- 0 (이제는 완전히 다른 인터럽트를 막는다. )
- PSW의 내용을 CPU에 복귀한다.
- 인터럽트에 관계된 레지스터 비트를 클리어 한다.
- 보다 낮은 순위의 mask비트를 1로 set한다.
- 복귀 주소를 PC에 저장한다
- 인터럽트 인에이블 비트 IEN <- 1
2) 직접 메모리 접근 (Direct Memory Access)
I/O장치가 CPU를 거치지 않고 메모리에 접근한다.
(1) DMA 전송 구조
- I/O 입출력을 처리하기 위해서 CPU를 방해하지 않는다.
- CPU가 사용하는 버스를 사용할 수 없기 때문에 메모리와 I/O가 각자 다른 버스를 사용하지 않는다면, DMA를 사용하기 어렵다.
- 그래서 사이크 스틸링을 사용한다.
- CPU의 명령어 사이클에서 메모리에 접근 안하는 타이밍(버스를 사용 안하는) 타이밍에 CPU대신에 메모리 버스를 사용한다.
(2) DMA 동작 순서
- DMA 전송
- 전송 초기화를 실행 한다.
- 메모리 버스와 입출력 버스간 연결한다.
- 메모리 버스로 직접 데이터를 전송한다.
- 완료 후, 전송 종료 인터럽트를 전송한다.
- DMA 전송 초기화
- 데이터 전송 메모리 주소를 전송한다. (Address register)
- 전송할 데이터 워드 수를 전송한다. (Word count register)
- 읽기 / 쓰기 신호를 결정한다. (R/W)
- DMA 전송 시작 신호 전송
3) 입출력 프로세서 (Input-Output Processor)
DMA의 확장판
(1) 정의
- 입출력 장치와의 직접적인 통신을 전담한다.
- 채널(Channel)로 호칭한다.
- CPU급의 DMA 제어기이다.
- DMA제어기와 달리 IOP는 고유의 명령어를 실행시킬 수 있다.
4) 직렬 통신(Serial Communication)
(1) 문자 지향 프로토콜 (Character-Oriented Protocol)
| SYN | SYN | Start Of Header | STX | Text | ETX | BCC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| (text에 대한 에러 정보) | (text에 대한 에러 정보) |
- 문자를 기반하는 text를 보낼 때는 위와 같은 형식으로 보내야 한다.
- 데이터 전송을 위한 약속이다.
(2) 비트지향 프로토콜 (Bit-Oriented Protocol)
- 비 문자 데이터 전송용 format이다.
- Contorol field에 따라서 여러 데이터 형태를 결정한다.