입출력 기법

요약

프로세서가 입출력 장치와 데이터를 주고받는 방법은 세 가지다. 택배를 기다리는 일에 비유하면, 현관에 서서 계속 내다보기(프로그램 입출력), 초인종이 울리면 나가 한 상자씩 받기(인터럽트 구동 입출력), 관리인에게 “다 받아서 방에 넣어 주세요”라고 맡기고 끝나면 연락받기(DMA)다. 뒤로 갈수록 프로세서가 다른 일을 할 시간이 늘어난다. 대신 장치 쪽에 하드웨어가 더 필요하다.

예시로 보기

디스크에서 1,000워드를 읽어 주기억장치에 넣는다고 하자. 세 방식에서 프로세서가 하는 일을 세어 보면 차이가 보인다.

	프로그램 입출력	인터럽트 구동 입출력	DMA
기다리는 동안	상태를 계속 확인하며 붙잡혀 있다	다른 일을 한다	다른 일을 한다
프로세서가 끼어드는 횟수	워드마다 확인하고 옮긴다	워드마다 인터럽트를 받아 옮긴다(1,000번)	시작할 때 명령 1번, 끝날 때 인터럽트 1번
데이터가 지나는 길	장치 → 프로세서 → 메모리	장치 → 프로세서 → 메모리	장치 → 메모리 (프로세서를 거치지 않음)

택배 비유는 기다리는 방식의 차이만 보여 준다. 실제로는 “한 상자”가 워드 하나이고, 인터럽트 구동 방식에서도 프로세서가 그 워드를 직접 옮긴다는 점이 다르다.

정확히 말하면

프로세서는 입출력 관련 명령어를 만나면 해당 입출력 모듈에 명령을 내린다. 그다음이 세 가지로 갈린다.

프로그램 입출력(programmed I/O). 입출력 모듈은 요청받은 일을 하고 상태 레지스터의 비트를 바꾸지만, 프로세서에게 알리지는 않는다. 인터럽트를 쓰지 않으므로 프로세서가 상태를 주기적으로 확인해서 끝났는지 알아낸다. 이때 쓰는 명령어는 세 종류다.

종류	하는 일
제어	장치를 켜고 할 일을 알려 준다. 예: 테이프를 되감아라
상태	입출력 모듈과 장치의 상태를 확인한다
전송	프로세서 레지스터와 장치 사이에서 데이터를 읽고 쓴다

한 워드를 읽을 때마다 “준비됐나?”를 묻는 반복을 돈다. 그동안 프로세서는 쓸데없이 바쁘다.

flowchart TB
  A[입출력 모듈에 읽기 명령] --> B[상태 읽기]
  B --> C{준비됐나?}
  C -- 아니오 --> B
  C -- 오류 --> X[오류 처리]
  C -- 예 --> D[모듈에서 워드 읽기] --> E[메모리에 쓰기]
  E --> F{다 했나?}
  F -- 아니오 --> A
  F -- 예 --> N[다음 명령어]

인터럽트 구동 입출력(interrupt-driven I/O). 프로세서는 명령을 내리고 다른 일을 하러 간다. 입출력 모듈이 데이터를 주고받을 준비가 되면 인터럽트로 알린다. 프로세서는 그때 데이터를 옮기고 하던 일로 돌아간다. 쓸데없는 기다림은 없앴지만, 모든 워드가 여전히 프로세서를 거쳐야 하므로 프로세서 시간을 많이 쓴다.

직접 메모리 접근(DMA). 많은 양을 옮길 때 쓴다. 시스템 버스에 붙은 별도 모듈(DMA 모듈)이 맡는다. 입출력 모듈 안에 들어 있을 수도 있다. 프로세서는 DMA 모듈에 네 가지를 알려 준다.

읽기인지 쓰기인지
관련된 입출력 장치의 주소
읽거나 쓸 메모리의 시작 위치
읽거나 쓸 워드 수

그다음 DMA 모듈이 블록 전체를 한 워드씩, 프로세서를 거치지 않고 메모리와 직접 주고받는다. 다 끝나면 인터럽트를 한 번 보낸다. 프로세서는 시작과 끝에만 관여한다.

sequenceDiagram
  participant P as 프로세서
  participant D as DMA 모듈
  participant M as 주기억장치
  P->>D: 블록 전송 명령 네 가지를 알려 준다
  Note over P: 다른 일을 한다
  loop 워드마다
    D->>M: 워드 한 개를 직접 주고받는다
  end
  D->>P: 다 끝났다는 인터럽트 한 번

프로세서가 나오는 화살표는 처음과 끝 두 개뿐이다. 그 사이의 반복은 DMA 모듈과 주기억장치끼리 한다.

활용

디스크나 네트워크처럼 한 번에 많은 데이터를 옮기는 장치는 DMA를 쓴다. 키보드처럼 드문드문 몇 바이트씩 오는 장치에는 인터럽트 구동 방식으로도 충분하다.
DMA는 프로세서와 캐시를 거치지 않고 메모리를 바꾸거나 읽는다. 그래서 캐시 메모리의 쓰기 정책과 부딪힐 수 있다.
입출력 동안 프로세서가 다른 일을 할 수 있어야 다중 프로그래밍이 의미가 있다.

연결

선수: 인터럽트
11장 “입출력 관리와 디스크 스케줄링”에서 다시 자세히 다룬다.

확인 문제

C1 세 입출력 기법을 “기다리는 동안 프로세서가 무엇을 하는가”와 “데이터가 프로세서를 거치는가”로 구별하라.

답: 프로그램 입출력: 상태를 계속 확인하며 붙잡혀 있다. 데이터는 프로세서를 거친다. 인터럽트 구동: 다른 일을 한다. 데이터는 프로세서를 거친다. DMA: 다른 일을 한다. 데이터는 프로세서를 거치지 않는다.
흔한 오답: “인터럽트 구동 방식이면 데이터가 장치에서 메모리로 바로 간다”. 그것은 DMA다.

C2 프로세서가 DMA 모듈에 블록 전송을 맡길 때 알려 주는 네 가지는?

답: 읽기·쓰기 구분, 입출력 장치의 주소, 메모리의 시작 위치, 옮길 워드 수.

C3 인터럽트 구동 입출력이 프로그램 입출력보다 낫는데도 큰 데이터에는 DMA가 필요한 이유는?

답: 인터럽트 구동 방식은 기다림은 없앴지만, 워드 하나하나를 프로세서가 직접 옮기고 그때마다 인터럽트를 처리한다. 데이터가 크면 이 처리에 프로세서 시간이 많이 든다. DMA는 옮기는 일 자체를 맡겨서 프로세서는 시작과 끝에만 관여한다.