[전자계산기] 입출력 시스템

한국어

<h2 id="입출력-시스템">입출력 시스템</h2> <p><a href="../../assets/images/electronic-calc/input-output-architecture-diagram.png" title="https://intelligenceofcoa.wordpress.com/2013/12/17/continue-i-o-module/"><img src="../../assets/images/electronic-calc/input-output-architecture-diagram.png" alt="" title="입출력 시스템 다이어그램" class="align-center" /></a></p> <h3 id="구성-요소">구성 요소</h3> <ul> <li> <p><strong>입출력 제어기(I/O Controller)</strong><br /> 입출력 장치의 <strong>공통적인 기능</strong>을 다루는 제어기.</p> <p>데이터 버퍼링, 제어 신호의 논리적/물리적 변환, 통신 회선 확보, 상태 정보 저장, 주기억 장치 접근, 데이터 교환, 입출력 완료 보고 등의 기능 수행</p> <p><strong>DMA 제어기</strong>, <strong>채널 제어기</strong>, <strong>입출력 프로세서</strong>, 입출력 컴퓨터 등이 여기에 속한다</p> </li> <li> <p><strong>입출력 버스(I/O Bus)</strong> 주기억 장치와 입출력 장치 사시에 정보 교환을 위하여 마련되어 있는 통신 회선을 의미</p> <ul> <li> <p><strong>주소 버스(Address Bus)</strong><br /> 입출력 장치 선택을 위한 정보가 흐르는 단방향 회선</p> </li> <li> <p><strong>데이터 버스(Data Bus)</strong><br /> 입출력하기 위한 데이터가 흐르는 회선으로 양방향 회선</p> </li> <li> <p><strong>제어 버스(Control Bus)</strong><br /> 입출력 장치에 어떤 동작을 취하기 하기 위해 제어 신호를 전달하는 단방향 회선</p> </li> </ul> </li> <li> <p><strong>입출력 인터페이스(I/O Interface)</strong> <br /> 입출력 포트라고도 불리며 <strong>입출력 버스와 입출력 장치 사이의 정보를 전송</strong>하는데 필요한 <strong>회로</strong>.</p> <p>레지스터, 상태 레지스터, 타이밍 레지스터 등으로 구성되며 변환, 장치 식별, 오류 검사 기능을 수행한다</p> <ul> <li> <p><strong>고립형 입출력 포트(Isolated I/O Mapped I/O Port)</strong><br /> 입출력 포트와 메모리 주소가 <strong>독립적인 상태</strong>로 운영되는 경우로 마이크로프로세스는 <strong>뚜렷한 입출력 명령</strong>을 가지며, <strong>각 명령은 인터페이스 레지스터의 주소</strong>를 가지고 있다</p> </li> <li> <p><strong>메모리 맵 입출력 포트(Memory Mapped I/O Port)</strong><br /> 입출력 포트를 메모리 주소에 <strong>종속적인 상태로 운영</strong>하여 <strong>메모리와 입출력 포트의 구별이 없는 형태</strong>, 이 경우 마이크로프로세서가 인터페이스 레지스터를 <strong>메모리 시스템의 한 부분으로 취급</strong>한다</p> </li> </ul> </li> <li> <p><strong>입출력 장치 제어기(I/O Device Controller)</strong><br /> 입출력 커넥터로 연결된 주변 장치를 제어하기 위한 논리 회로</p> </li> <li> <p><strong>입출력 장치(I/O Device)</strong><br /> 컴퓨터 시스템이 처리한 결과를 사용자에게 제공하거나 컴퓨터가 필요로 하는 데이터를 사용자가 컴퓨터 시스템에 제공할 때 사용하는 장치를 의미</p> </li> </ul> <h3 id="목적">목적</h3> <ul> <li>속도 차이 극복</li> <li>전압 레벨 차이 조정</li> <li>전송 사이클 차이 변환</li> </ul> <h3 id="기능">기능</h3> <ul> <li> <p><strong>입출력 제어 기능</strong><br /> 입출력 시스템에 이상이 발생한 경우 이를 사전에 감지하여 수정하고 입출력을 위해 정해진 규정이나 한계로부터 이탈되는 사태나 상황을 사전에 감지하여 <strong>입출력이 바르게 진행</strong>되도록 하는 기능</p> </li> <li> <p><strong>입출력 버스 기능</strong><br /> 주기억 장치와 입출력 장치 사이에 <strong>정보 교환</strong> 기능</p> </li> <li> <p><strong>인터페이스 기능</strong><br /> 주기억 장치와 입출력 장치 간의 <strong>차이점을 극복</strong>하기 위해 입출력 명령이나 제어 명령을 사용하여 서로 <strong>연결</strong>되도록 변환하는 기능</p> </li> </ul> <h3 id="기억-장치와-차이점">기억 장치와 차이점</h3> <table> <thead> <tr> <th>비교</th> <th><strong>입출력 장치</strong></th> <th><strong>주기억 장치</strong></th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>동작 속도</td> <td>기계적인 동작이 필요하므로 속도가 느리다</td> <td>전자적인 주기억 장치는 속도가 빠르다</td> </tr> <tr> <td>정보 단위</td> <td>문자(Character)</td> <td>Word</td> </tr> <tr> <td>동작의 자율성</td> <td>여러 개를 가지고 있어야 하므로 자율적으로 동작할 수 있어야 한다</td> <td>-</td> </tr> <tr> <td>에러 발생률</td> <td>전송 과정의 여러 원인으로 인해 에러 발생률이 높다</td> <td>전자 회로이므로 거의 에러 발생률이 없다</td> </tr> </tbody> </table> <h3 id="입출력-제어-방식">입출력 제어 방식</h3> <ul> <li><strong>CPU</strong> 제어기에 의한 입출력 방식 <ul> <li>CPU와 입출력 장치 사이에 인터페이스가 있는 시스템에 적용</li> <li>CPU가 입출력 제어기 역할을 수행</li> <li> <p>인터페이스에 있는 데이터 레지스터와 CPU에 있는 레지스터 사이에서 데이터 이동이 발생</p> </li> <li><strong>프로그램에 의한</strong> 입출력 제어 방식(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">Polling</code> 방식)<br /> CPU와 입출력 장치 사이의 데이터 전달이 프로그램에 의해서 제어되는 방법 <ul> <li>CPU가 <strong>계속적으로 플래그를 검사</strong>하여 입출력 <strong>전반에 걸쳐 개입</strong>하기 때문에 <strong>비효율적</strong>이며 CPU는 다른 연산을 처리하지 못하는 입출력 방법</li> </ul> </li> <li><strong>인터럽트에 의한</strong> 입출력 제어 방식(<code class="language-plaintext highlighter-rouge">Interrupt</code> 방식)<br /> CPU가 계속적으로 플래그를 검사하지 않고 입출력이 필요할 때 입출력 장치에서 <strong>CPU에게 인터럽트를 요청</strong>하면, 그 때 CPU가 하던 <strong>작업을 멈추고 입출력 장치에 데이터를 전송</strong>하게 하는 방식 <ul> <li>프로그램에 의한 입출력 방식보다 CPU의 이용 <strong>효율이 좋다</strong></li> </ul> </li> </ul> </li> <li><strong><code class="language-plaintext highlighter-rouge">DMA</code>(Direct Memory Access) 제어기</strong>에 의한 입출력 방식<br /> CPU의 입출력 명령에 의해 <strong>CPU의 개입 없이 직접 주기억 장치와 DMA에 사이</strong>에서 일련의 입출력 동작이 이루어지는 방식 <ul> <li>프로그램이 실행되는 동안 인터럽트의 수를 최소화시켜 준다</li> <li>디스크 동작과 같은 고속 입출력 장치를 사용</li> </ul> </li> <li><strong>채널</strong> 제어기에 의한 입출력 방식<br /> 입출력 <strong>전용 프로세서인 채널</strong>이 <strong>직접 주기억 장치에 접근</strong>하여 채널 프로그램의 채널 명령어를 인출하여 채널 명령어 요구 조건에 따라 입출력 명령을 수행하는 방식</li> </ul> <h2 id="데이터-전송-제어-방식">데이터 전송 제어 방식</h2> <h3 id="스트로브strobe-제어">스트로브(Strobe) 제어</h3> <p>송신측과 수신측에 <strong>스트로브 신호를 주는 제어선 한 개</strong>와 <strong>데이터 버스 선 한 개</strong>로 연결되어 있는 데이터 전송 방식</p> <ul> <li>스트로브 신호로 데이터가 전송될 시간을 알려주어야 한다</li> <li>데이터를 전송할 때 <strong>실제로 전송하는 것을 알려주기 위해 보내는 신호</strong>를 <strong>스트로브 신호</strong>라 한다</li> <li>스트로브 신호를 보내기 위한 회선은 송신 → 수신, 수신 → 송신</li> <li>전송한 데이터를 수신 쪽에서 <strong>확실하게 수신하였는지는 알 수 없다</strong></li> </ul> <h3 id="병렬-입출력-데이터-전송-방식">병렬 입출력 데이터 전송 방식</h3> <p>송신 및 수신 양쪽에서 상대편에게 제어 신호를 보내는 방법으로 <strong>데이터 버스 외에 양쪽에서 제어 신호를 보내는 별도의 회선 2개</strong>가 필요하다</p> <ul> <li>제어 라인 중 <strong>하나의 제어 라인</strong>은 버스 내의 <strong>데이터 방향과 함께 송신부로부터 수신부로 향하고 있는 것</strong>으로 버스에 데이터가 실려 있음을 수신측에 알려준다</li> <li><strong>또 하나의 제어 라인</strong>은 수신부로부터 송신부로 연결되어 있는 것으로 수신 장치가 <strong>데이터를 받아들일 수 있는지의 여부</strong>를 송신부에 알려주는 역할을 수행</li> </ul> <h3 id="비동기-데이터-전송-방식">비동기 데이터 전송 방식</h3> <p>송신측과 수신측의 시간적 특성이 현저히 다른 경우에 사용하는 방식이며 전송을 제어하기 위해서는 시작과 끝을 나타내는 <strong>제어 비트(Start Bit, Stop Bit)</strong>를 첨가해서 사용</p> <h3 id="동기-데이터-전송-방식">동기 데이터 전송 방식</h3> <p>송신측에서 수신측에 정보를 전달할 때 <strong>송신측의 클록 펄스를 함께 보내는 방식</strong>으로 송/수신 장치가 가까이 있는 경우에 주로 사용</p> <h2 id="입출력-장치">입출력 장치</h2> <ul> <li><strong>입력 장치</strong> <ul> <li>광학 마크 판독기(OMR, Optical Mark Reader)</li> <li>자기 잉크 문자 판독기(MICR, Magnetic Ink Character Reader)</li> <li>광학 문자 판독기(OCR, Optical Character Reader)</li> <li>카드 리더기</li> <li>종이 테이프 판독기</li> <li>음성 입력 장치</li> <li>터치 스크린</li> <li>디지타이저</li> </ul> </li> <li><strong>출력 장치</strong> <ul> <li>프린터 <ul> <li>Print Wheel Printer<br /> <strong>금속 휠 표면</strong>에 인쇄 문자를 가진 프린팅 기구 구조로 된 프린터</li> <li>Dot Matrix Printer<br /> 프린터 헤드에 <strong>일렬로 배열된 핀</strong>들이 있고 헤드가 이동하면서 각 위치의 점의 색깔에 핀을 따라 망치로 때려 리본을 통해 종이에 인쇄하는 프린터</li> <li>Chain Printer<br /> <strong>체인이 돌다가</strong> 원하는 문자가 프린트 위치에 왔을 때 망치로 때려서 글자가 찍히도록 하는 프린터</li> <li>Bar Printer<br /> 활자가 장치된 <strong>막대가 수평으로 움직</strong>이면서 인쇄되는 프린터</li> </ul> </li> <li>X-Y 플로터</li> <li>CRT(Cathode Ray Tube)</li> <li>COM(Computer Output Microfilm)</li> </ul> </li> <li><strong>입출력 겸용 장치</strong> <ul> <li>자기 디스크</li> <li>자기 테이프</li> <li>자기 드럼</li> <li>마이크로필름(Microfilm)</li> </ul> </li> </ul>

입출력 시스템

구성 요소

• 입출력 제어기(I/O Controller)
  입출력 장치의 공통적인 기능을 다루는 제어기.

  데이터 버퍼링, 제어 신호의 논리적/물리적 변환, 통신 회선 확보, 상태 정보 저장, 주기억 장치 접근, 데이터 교환, 입출력 완료 보고 등의 기능 수행

  DMA 제어기, 채널 제어기, 입출력 프로세서, 입출력 컴퓨터 등이 여기에 속한다

• 입출력 버스(I/O Bus) 주기억 장치와 입출력 장치 사시에 정보 교환을 위하여 마련되어 있는 통신 회선을 의미

  • 주소 버스(Address Bus)
    입출력 장치 선택을 위한 정보가 흐르는 단방향 회선

  • 데이터 버스(Data Bus)
    입출력하기 위한 데이터가 흐르는 회선으로 양방향 회선

  • 제어 버스(Control Bus)
    입출력 장치에 어떤 동작을 취하기 하기 위해 제어 신호를 전달하는 단방향 회선

• 입출력 인터페이스(I/O Interface)
  입출력 포트라고도 불리며 입출력 버스와 입출력 장치 사이의 정보를 전송하는데 필요한 회로.

  레지스터, 상태 레지스터, 타이밍 레지스터 등으로 구성되며 변환, 장치 식별, 오류 검사 기능을 수행한다

  • 고립형 입출력 포트(Isolated I/O Mapped I/O Port)
    입출력 포트와 메모리 주소가 독립적인 상태로 운영되는 경우로 마이크로프로세스는 뚜렷한 입출력 명령을 가지며, 각 명령은 인터페이스 레지스터의 주소를 가지고 있다

  • 메모리 맵 입출력 포트(Memory Mapped I/O Port)
    입출력 포트를 메모리 주소에 종속적인 상태로 운영하여 메모리와 입출력 포트의 구별이 없는 형태, 이 경우 마이크로프로세서가 인터페이스 레지스터를 메모리 시스템의 한 부분으로 취급한다

• 입출력 장치 제어기(I/O Device Controller)
  입출력 커넥터로 연결된 주변 장치를 제어하기 위한 논리 회로

• 입출력 장치(I/O Device)
  컴퓨터 시스템이 처리한 결과를 사용자에게 제공하거나 컴퓨터가 필요로 하는 데이터를 사용자가 컴퓨터 시스템에 제공할 때 사용하는 장치를 의미

목적

• 속도 차이 극복
• 전압 레벨 차이 조정
• 전송 사이클 차이 변환

기능

• 입출력 제어 기능
  입출력 시스템에 이상이 발생한 경우 이를 사전에 감지하여 수정하고 입출력을 위해 정해진 규정이나 한계로부터 이탈되는 사태나 상황을 사전에 감지하여 입출력이 바르게 진행되도록 하는 기능

• 입출력 버스 기능
  주기억 장치와 입출력 장치 사이에 정보 교환 기능

• 인터페이스 기능
  주기억 장치와 입출력 장치 간의 차이점을 극복하기 위해 입출력 명령이나 제어 명령을 사용하여 서로 연결되도록 변환하는 기능

기억 장치와 차이점

비교	입출력 장치	주기억 장치
동작 속도	기계적인 동작이 필요하므로 속도가 느리다	전자적인 주기억 장치는 속도가 빠르다
정보 단위	문자(Character)	Word
동작의 자율성	여러 개를 가지고 있어야 하므로 자율적으로 동작할 수 있어야 한다	-
에러 발생률	전송 과정의 여러 원인으로 인해 에러 발생률이 높다	전자 회로이므로 거의 에러 발생률이 없다

입출력 제어 방식

• CPU 제어기에 의한 입출력 방식
  • CPU와 입출력 장치 사이에 인터페이스가 있는 시스템에 적용
  • CPU가 입출력 제어기 역할을 수행

  • 인터페이스에 있는 데이터 레지스터와 CPU에 있는 레지스터 사이에서 데이터 이동이 발생

  • 프로그램에 의한 입출력 제어 방식(Polling 방식)
    CPU와 입출력 장치 사이의 데이터 전달이 프로그램에 의해서 제어되는 방법
    • CPU가 계속적으로 플래그를 검사하여 입출력 전반에 걸쳐 개입하기 때문에 비효율적이며 CPU는 다른 연산을 처리하지 못하는 입출력 방법
  • 인터럽트에 의한 입출력 제어 방식(Interrupt 방식)
    CPU가 계속적으로 플래그를 검사하지 않고 입출력이 필요할 때 입출력 장치에서 CPU에게 인터럽트를 요청하면, 그 때 CPU가 하던 작업을 멈추고 입출력 장치에 데이터를 전송하게 하는 방식
    • 프로그램에 의한 입출력 방식보다 CPU의 이용 효율이 좋다
• DMA(Direct Memory Access) 제어기에 의한 입출력 방식
  CPU의 입출력 명령에 의해 CPU의 개입 없이 직접 주기억 장치와 DMA에 사이에서 일련의 입출력 동작이 이루어지는 방식
  • 프로그램이 실행되는 동안 인터럽트의 수를 최소화시켜 준다
  • 디스크 동작과 같은 고속 입출력 장치를 사용
• 채널 제어기에 의한 입출력 방식
  입출력 전용 프로세서인 채널이 직접 주기억 장치에 접근하여 채널 프로그램의 채널 명령어를 인출하여 채널 명령어 요구 조건에 따라 입출력 명령을 수행하는 방식

데이터 전송 제어 방식

스트로브(Strobe) 제어

송신측과 수신측에 스트로브 신호를 주는 제어선 한 개와 데이터 버스 선 한 개로 연결되어 있는 데이터 전송 방식

• 스트로브 신호로 데이터가 전송될 시간을 알려주어야 한다
• 데이터를 전송할 때 실제로 전송하는 것을 알려주기 위해 보내는 신호를 스트로브 신호라 한다
• 스트로브 신호를 보내기 위한 회선은 송신 → 수신, 수신 → 송신
• 전송한 데이터를 수신 쪽에서 확실하게 수신하였는지는 알 수 없다

병렬 입출력 데이터 전송 방식

송신 및 수신 양쪽에서 상대편에게 제어 신호를 보내는 방법으로 데이터 버스 외에 양쪽에서 제어 신호를 보내는 별도의 회선 2개가 필요하다

• 제어 라인 중 하나의 제어 라인은 버스 내의 데이터 방향과 함께 송신부로부터 수신부로 향하고 있는 것으로 버스에 데이터가 실려 있음을 수신측에 알려준다
• 또 하나의 제어 라인은 수신부로부터 송신부로 연결되어 있는 것으로 수신 장치가 데이터를 받아들일 수 있는지의 여부를 송신부에 알려주는 역할을 수행

비동기 데이터 전송 방식

송신측과 수신측의 시간적 특성이 현저히 다른 경우에 사용하는 방식이며 전송을 제어하기 위해서는 시작과 끝을 나타내는 제어 비트(Start Bit, Stop Bit)를 첨가해서 사용

동기 데이터 전송 방식

송신측에서 수신측에 정보를 전달할 때 송신측의 클록 펄스를 함께 보내는 방식으로 송/수신 장치가 가까이 있는 경우에 주로 사용

입출력 장치

• 입력 장치
  • 광학 마크 판독기(OMR, Optical Mark Reader)
  • 자기 잉크 문자 판독기(MICR, Magnetic Ink Character Reader)
  • 광학 문자 판독기(OCR, Optical Character Reader)
  • 카드 리더기
  • 종이 테이프 판독기
  • 음성 입력 장치
  • 터치 스크린
  • 디지타이저
• 출력 장치
  • 프린터
    • Print Wheel Printer
      금속 휠 표면에 인쇄 문자를 가진 프린팅 기구 구조로 된 프린터
    • Dot Matrix Printer
      프린터 헤드에 일렬로 배열된 핀들이 있고 헤드가 이동하면서 각 위치의 점의 색깔에 핀을 따라 망치로 때려 리본을 통해 종이에 인쇄하는 프린터
    • Chain Printer
      체인이 돌다가 원하는 문자가 프린트 위치에 왔을 때 망치로 때려서 글자가 찍히도록 하는 프린터
    • Bar Printer
      활자가 장치된 막대가 수평으로 움직이면서 인쇄되는 프린터
  • X-Y 플로터
  • CRT(Cathode Ray Tube)
  • COM(Computer Output Microfilm)
• 입출력 겸용 장치
  • 자기 디스크
  • 자기 테이프
  • 자기 드럼
  • 마이크로필름(Microfilm)