[컴퓨터구조] 입출력장치 장치 컨트롤러, 장치 드라이버

실제 컴퓨터는 CPU와 메모리만 존재하지 않고 스피커, 모니커, 키보드, 마우스 등과 같은 입출력장치와 외장 하드 디스크나 USB 등 보조기억장치가 주렁주렁 달려있음

 

장치 컨트롤러 Device Controller

• 입출력장치는  CPU와 메모리보다 다루기가 더 까다로움
  • 1. 입출력장치의 종류가 많기 때문
    • 키보드, 모니터, USB, CD-ROM, SSD, 마우스, 프린터, 스피커, 마이크 등 장치가 너무 다양하기에 장치마다 속도, 데이터 전송 형식 등이 다양함
    • 따라서 다양한 입출력장치와 정보를 주고받는 방식을 규격화하기가 어려움
  • 2. 일반적으로 CPU와 메모리의 데이터 전송률은 높지만 입출력장치의 데이터 전송률은 낮음
    • 전송률 transfer rate: 데이터를 얼마나 빨리 교환할 수 있는지는 나타내는 지표
    • CPU와 메모리처럼 전송률이 높은 장치는 1초에도 수많은 데이터를 주고 받을 수 있지만 키보드나 마우스와 같이 상대적으로 전송률이 낮은 장치는 같은 시간 동안 데이터를 조금씩만 주고 받을 수 있음
    • -> 전송률이 비슷하지 않기 때문에 어려움이 있음
• 위와 같은 이유로 입출력장치는 컴퓨터에 직접 연결되지 않고 장치 컨트롤러 라는 하드웨어를 통해 연결됨
• 입출기 제어기 I/O Controller, 입출력 모듈 I/O Module 등으로 다양하게 불림

모든 입출력장치는 각자의 장치 컨트롤러를 통해 컴퓨터 내부와 정보를 주고받고, 장치 컨트롤러는 하나 이상의 입출력장치와 연결되어 있음

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장치 컨트롤러는 대표적으로 다음과 같은 역할을 통해 앞의 문제를 해결함

• CPU와 입출력장치 간의 통신 중계
• 오류 검출
• 데이터 버퍼링

장치 컨트롤러가 일종의 번역가 역할을 함으로써 입출력장치의 종류가 많이 정보 규격화가 어려웠던 문제를 해결함

위의 과정에서 오류 검출도 같이함

 

데이터 버퍼링: 전송률이 높은 장치와 낮은 장치 사이에 주고받는 데이터를 버퍼 Buffer라는 임시 저장 공간에 저장하여 전송률을 비슷하게 맞추는 방법

-> 버퍼에 데이터를 조금씩 모았다가 함꺼번에 내보내거나, 데이터를 한 번에 많이 받아 조금씩 내보내는 방법(전송률 차이 완화)

데이터 버퍼링

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장치 컨트롤러 간략화 내부

(상태 레지스터와 제어 레지스터는 하나의 레지스터로 사용되지만, 분리하여 설명하겠음)

• 데이터 레지스터: CPU와 입출력장치 사이에 주고받을 데이터가 담기는 레지스터이다. 버퍼 역할을 하고 최근 주고 받는 데이터가 많은 입출력장치의 경우 레지스터 대신 RAM을 사용하기도 함
• 상태 레지스터: 입출력장치가 입출력 작업을 할 준비가 되었는지, 입출력 작업이 완료되었는지, 입출력장치에 오류가 없는지 등의 상태 정보가 저장됨
• 제어 레지스터: 입출력 장치가 수행할 내용에 대한 제어 정보와 명령을 저장함

위의 레지스터에 담긴 값들은 버스를 타고 CPU나 다른 입출력장치에 전달되기도 하고, 장치 컨트롤러에 연결된 입출력 장치로 전달됨

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장치 드라이버 Device Driver

새로운 장치를 컴퓨터에 연결하려면 장치 드라이버를 설치해야함

• 장치 드라이버: 컨트롤러의 동작을 감지하고 제어함으로써 장치 컨트롤러가 컴퓨터 내부와 정부를 주고받을 수 있게 하는 프로그램
• 프로그램이기 때문에 실행 과정에서 메모리에 저장됨
• 장치 드라이버가 하드웨어적 통로라면 장치 드라이버는 소프트웨어적 통로이다.