[전자계산기] DMA와 채널

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<h2 id="dmadirect-memory-access">DMA(Direct Memory Access)</h2> <p><strong>CPU의 개입없이</strong> 직접 <strong>주기억 장치와 DMA 사이</strong>에서 일련의 입출력 동작이 이루어지는 방식</p> <ul> <li>CPU를 경유하지 않는다</li> <li>직접 기억 장치와 입출력 장치 사이에서 전송이 이루어진다</li> <li>하나의 입출력 명령어에 의해 하나의 블록 전체가 전송된다</li> <li>사이클 스틸에 의해 전송이 이루어진다 <ul> <li><strong>사이클 스틸</strong>(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">Cycle Steal</code>) : CPU가 프로그램을 수행하기 위해 계속해서 <strong>메이저 사이클</strong>(인출/간접/실행/인터럽트 사이클 <a href="https://many258.github.io/study/electronic-calculator-instruction-cycle/#%EB%A9%94%EC%9D%B4%EC%A0%80-%EC%82%AC%EC%9D%B4%ED%81%B4%EC%9D%98-%EB%A7%88%EC%9D%B4%ED%81%AC%EB%A1%9C-%EC%98%A4%ED%8D%BC%EB%A0%88%EC%9D%B4%EC%85%98" class="btn btn--info">포스트 이동하기</a>)을 반복하고 있는 상태에서 DMA 제어기가 하나의 워드 전송을 위해서 일시적으로 <strong>CPU의 사이클을 훔쳐서 사용</strong>하는 경우를 의미</li> </ul> </li> <li>전송이 끝나면 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알려준다</li> <li>데이터 전송 절차 <ol> <li>버스 사용 요구</li> <li>버스 사용 허가</li> <li>데이터 전송</li> <li>인터럽트</li> </ol> </li> </ul> <h3 id="구성요소">구성요소</h3> <ul> <li> <p><strong>데이터 버퍼 레지스터(DBR, Data Buffer Register)</strong><br /> 입출력되는 <strong>하나의 워드를 기억</strong>시키는 레지스터</p> </li> <li> <p><strong>요청 플립플롭(F Flip-Flop)</strong><br /> 데이터의 <strong>이동 방향</strong>(입력/출력)을 나타내는 플래그</p> </li> <li> <p><strong>상태 레지스터(Status Register)</strong><br /> DMA의 상태를 나타내는 레지스터</p> </li> <li> <p><strong>주소 레지스터(Address Register)</strong><br /> 입출력시킬 <strong>워드의 주소값</strong>을 가지고 있는 레지스터</p> </li> <li> <p><strong>단어 계수기(Word Counter)</strong><br /> 입출력시킬 <strong>블록 전체의 단어 개수</strong>를 가지고 있는 계수기</p> </li> </ul> <ol> <li> <p>DMA 입출력은 <strong>CPU나 채널로부터</strong> 블록의 첫 번째 워드 주소, 블록의 단어 개수, 입출력 플래그, DMA의 상태 정보, DMA의 시작 명령을 넘겨 받는다</p> </li> <li> <p><strong>사이클 스틸</strong>을 통해서 메모리에서 <strong>단어(Word)를 입출력</strong>하는데 입출력 할 때마다 <strong>단어 계수기의 값이 하나씩 감소</strong>한다</p> </li> <li> <p>이 단어 계수의 값이 <strong>0이 되는 순간</strong> 해당 블록의 <strong>입출력이 완료된 것</strong>으로 이 때 DMA는 <strong>CPU에 인터럽트를 요청</strong>하여 입출력 완료를 보고한다</p> </li> </ol> <h4 id="사이클-스틸-vs-인터럽트">사이클 스틸 VS 인터럽트</h4> <table> <thead> <tr> <th><strong>사이클 스틸</strong></th> <th><strong>인터럽트</strong></th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>CPU 상태를 보존할 필요가 없다</td> <td>CPU 상태를 보존해야 한다</td> </tr> <tr> <td>CPU가 잠시 쉰다</td> <td>인터럽트를 처리한다</td> </tr> <tr> <td><strong>아무 사이클</strong>이나 상관없이 훔치는 것이 가능</td> <td>항상 실행 사이클 이후에만 인터럽트 인지</td> </tr> </tbody> </table> <h2 id="channel">Channel</h2> <p><strong>주기억 장치와 입출력 장치 사이</strong>에서 입출력을 제어하는 <strong>입출력 전용 프로세서</strong></p> <ul> <li><strong>채널 명령어</strong>를 분석하여 직접 주기억 장치에 접근해서 입출력 수행</li> <li><strong>CPU와 동시에 동작이 가능</strong>하므로 고속으로 입출력 가능한 고속 입출력 제어기</li> <li><strong>여러 개의 블록을 전송</strong>할 수 있다</li> <li>전송 시에는 <strong>DMA를 이용</strong>할 수도 있다</li> </ul> <h3 id="채널의-연결-형태에-따른-구분">채널의 연결 형태에 따른 구분</h3> <ul> <li> <p><strong>고정 채널</strong><br /> 채널과 I/O 장치들이 <strong>고정된 전송 통로</strong>를 지닌 형태로 구성은 간단하지만 효율이 낮다</p> </li> <li> <p><strong>가변 채널</strong><br /> 채널과 I/O 장치들이 <strong>가변적 전송 통로</strong>를 지닌 형태로 구성은 복잡하지만 효율이 좋다</p> </li> </ul> <h3 id="입출력-장치의-성질에-따른-채널의-종류">입출력 장치의 성질에 따른 채널의 종류</h3> <ul> <li> <p><strong>셀렉터 채널(Selector Channel)</strong><br /> 채널 하나를 <strong>하나의 입출력 장치가 독점</strong>해서 사용하는 방식으로 <strong>고속 전송</strong>에 적합</p> </li> <li> <p><strong>바이트 멀티플렉서 채널(Byte Multiplexer Channel)</strong><br /> 한 개의 채널에 <strong>여러 개의 입출력 장치를 연결</strong>하여 <strong>시분할 공유 방식</strong>으로 입출력하는 <strong>저속 입출력</strong> 방식</p> </li> <li> <p><strong>블록 멀티플렉서 채널(Block Multiplexer Channel)</strong><br /> <strong>셀렉터 채널과 멀티플렉서 채널 방식을 결합</strong>한 방식으로 융통성있는 운용을 할 수 있는 방식</p> </li> </ul> <h3 id="채널-입출력-방식">채널 입출력 방식</h3> <ul> <li> <p><strong>채널 프로그램</strong><br /> <strong>채널 명령어들이 링크 리스트로 연결</strong>되어 있는 집합으로 이 프로그램은 채널 제어기에 의해 수행</p> </li> <li> <p><strong>채널 명령어(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">CCW</code>, Channel Command Word)</strong><br /> 주기억 장치에 있는 <strong>하나의 블록 입출력 정보</strong>를 가지고 있는 명령어로 <strong>채널 제어기에 의해 패치</strong>되어 수행된다</p> <ul> <li> <p><strong>Operation Code</strong><br /> 입/출력 여부, 분기, 입출력 장치 제어, 채널 동작에 대한 정보를 나타낸다</p> </li> <li> <p><strong>블록 주소</strong><br /> 블록의 첫 번째 시작 주소</p> </li> <li> <p><strong>블록의 단어 수</strong><br /> 입출력하고자 하는 블록의 워드 개수</p> </li> <li> <p><strong>다음 채널 명령의 주소</strong><br /> 채널은 명령어의 실행 순서를 제어하는 <strong><code class="language-plaintext highlighter-rouge">PC</code>가 없으므로</strong> 다음에 수행해야 할 명령어의 주소는 채널 명령어 자체에 들어 있어야 한다</p> <p>주기억 장치에 있는 하나의 블록을 <strong>입출력하기 위한 정보</strong>를 가지고 있는 명령어로 채널 제어기에 의해 패치되어 수행된다</p> </li> </ul> </li> <li> <p><strong>채널 주소 단어(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">CAW</code>, Channel Address Word)</strong><br /> 채널 명령어의 <strong>시작 주소를 기억</strong>하는 레지스터</p> </li> <li> <p><strong>채널 상태 단어(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">CSW</code>, Channel Status Word)</strong><br /> CPU에서 I/O 명령에 따라 채널에 입출력을 지시할 때 사용할 <strong>채널 정보와 입출력 장치 정보 등</strong>을 전달하게 되는데, 이 <strong>정보를 기억</strong>하는 레지스터</p> </li> </ul> <ol> <li>채널이 주기억 장치에 저장되어 있는 <strong>채널 프로그램에 접근</strong></li> <li>채널 상태 단어가 지시하는 <strong>하나의 채널 명령어를 인출</strong>해서 채널 명령어에 넣고 <strong>해독</strong></li> <li>해독 결과에 따라 블록을 입출력하고, 채널 명령어 마지막 필드에 있는 <strong>다음 채널 명령어를 채널 상태 단어에 넣고 <code class="language-plaintext highlighter-rouge">1~2</code>번 과정</strong> 반복적으로 입출력 작업 수행</li> </ol> <p><a href="../../assets/images/electronic-calc/channel-architecture.png"><img src="../../assets/images/electronic-calc/channel-architecture.png" alt="" title="채널 입출력 방식" class="align-center" /></a></p>

DMA(Direct Memory Access)

CPU의 개입없이 직접 주기억 장치와 DMA 사이에서 일련의 입출력 동작이 이루어지는 방식

• CPU를 경유하지 않는다
• 직접 기억 장치와 입출력 장치 사이에서 전송이 이루어진다
• 하나의 입출력 명령어에 의해 하나의 블록 전체가 전송된다
• 사이클 스틸에 의해 전송이 이루어진다
  • 사이클 스틸(Cycle Steal) : CPU가 프로그램을 수행하기 위해 계속해서 메이저 사이클(인출/간접/실행/인터럽트 사이클 포스트 이동하기)을 반복하고 있는 상태에서 DMA 제어기가 하나의 워드 전송을 위해서 일시적으로 CPU의 사이클을 훔쳐서 사용하는 경우를 의미
• 전송이 끝나면 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알려준다
• 데이터 전송 절차
  1. 버스 사용 요구
  2. 버스 사용 허가
  3. 데이터 전송
  4. 인터럽트

구성요소

• 데이터 버퍼 레지스터(DBR, Data Buffer Register)
  입출력되는 하나의 워드를 기억시키는 레지스터

• 요청 플립플롭(F Flip-Flop)
  데이터의 이동 방향(입력/출력)을 나타내는 플래그

• 상태 레지스터(Status Register)
  DMA의 상태를 나타내는 레지스터

• 주소 레지스터(Address Register)
  입출력시킬 워드의 주소값을 가지고 있는 레지스터

• 단어 계수기(Word Counter)
  입출력시킬 블록 전체의 단어 개수를 가지고 있는 계수기

1. DMA 입출력은 CPU나 채널로부터 블록의 첫 번째 워드 주소, 블록의 단어 개수, 입출력 플래그, DMA의 상태 정보, DMA의 시작 명령을 넘겨 받는다

2. 사이클 스틸을 통해서 메모리에서 단어(Word)를 입출력하는데 입출력 할 때마다 단어 계수기의 값이 하나씩 감소한다

3. 이 단어 계수의 값이 0이 되는 순간 해당 블록의 입출력이 완료된 것으로 이 때 DMA는 CPU에 인터럽트를 요청하여 입출력 완료를 보고한다

사이클 스틸 VS 인터럽트

사이클 스틸	인터럽트
CPU 상태를 보존할 필요가 없다	CPU 상태를 보존해야 한다
CPU가 잠시 쉰다	인터럽트를 처리한다
아무 사이클이나 상관없이 훔치는 것이 가능	항상 실행 사이클 이후에만 인터럽트 인지

Channel

주기억 장치와 입출력 장치 사이에서 입출력을 제어하는 입출력 전용 프로세서

• 채널 명령어를 분석하여 직접 주기억 장치에 접근해서 입출력 수행
• CPU와 동시에 동작이 가능하므로 고속으로 입출력 가능한 고속 입출력 제어기
• 여러 개의 블록을 전송할 수 있다
• 전송 시에는 DMA를 이용할 수도 있다

채널의 연결 형태에 따른 구분

• 고정 채널
  채널과 I/O 장치들이 고정된 전송 통로를 지닌 형태로 구성은 간단하지만 효율이 낮다

• 가변 채널
  채널과 I/O 장치들이 가변적 전송 통로를 지닌 형태로 구성은 복잡하지만 효율이 좋다

입출력 장치의 성질에 따른 채널의 종류

• 셀렉터 채널(Selector Channel)
  채널 하나를 하나의 입출력 장치가 독점해서 사용하는 방식으로 고속 전송에 적합

• 바이트 멀티플렉서 채널(Byte Multiplexer Channel)
  한 개의 채널에 여러 개의 입출력 장치를 연결하여 시분할 공유 방식으로 입출력하는 저속 입출력 방식

• 블록 멀티플렉서 채널(Block Multiplexer Channel)
  셀렉터 채널과 멀티플렉서 채널 방식을 결합한 방식으로 융통성있는 운용을 할 수 있는 방식

채널 입출력 방식

• 채널 프로그램
  채널 명령어들이 링크 리스트로 연결되어 있는 집합으로 이 프로그램은 채널 제어기에 의해 수행

• 채널 명령어(CCW, Channel Command Word)
  주기억 장치에 있는 하나의 블록 입출력 정보를 가지고 있는 명령어로 채널 제어기에 의해 패치되어 수행된다

  • Operation Code
    입/출력 여부, 분기, 입출력 장치 제어, 채널 동작에 대한 정보를 나타낸다

  • 블록 주소
    블록의 첫 번째 시작 주소

  • 블록의 단어 수
    입출력하고자 하는 블록의 워드 개수

  • 다음 채널 명령의 주소
    채널은 명령어의 실행 순서를 제어하는 PC가 없으므로 다음에 수행해야 할 명령어의 주소는 채널 명령어 자체에 들어 있어야 한다

    주기억 장치에 있는 하나의 블록을 입출력하기 위한 정보를 가지고 있는 명령어로 채널 제어기에 의해 패치되어 수행된다

• 채널 주소 단어(CAW, Channel Address Word)
  채널 명령어의 시작 주소를 기억하는 레지스터

• 채널 상태 단어(CSW, Channel Status Word)
  CPU에서 I/O 명령에 따라 채널에 입출력을 지시할 때 사용할 채널 정보와 입출력 장치 정보 등을 전달하게 되는데, 이 정보를 기억하는 레지스터

1. 채널이 주기억 장치에 저장되어 있는 채널 프로그램에 접근
2. 채널 상태 단어가 지시하는 하나의 채널 명령어를 인출해서 채널 명령어에 넣고 해독
3. 해독 결과에 따라 블록을 입출력하고, 채널 명령어 마지막 필드에 있는 다음 채널 명령어를 채널 상태 단어에 넣고 1~2번 과정 반복적으로 입출력 작업 수행