메모리 맵 입출력

3. 각 입출력 방식의 장단점 비교

메모리 맵 입출력(Memory-mapped I/O)과 포트 맵 입출력(Port-mapped I/O, I/O 맵 입출력, 프로그램드 I/O라고도 함)은 CPU가 주변 장치와 통신하는 두 가지 방식이다. 각 방식은 장단점을 가지며, 특정 상황에서 더 유리할 수 있다.
포트 맵 입출력의 장점

• 주소 공간 절약: 어드레싱 능력이 제한된 CPU에서 유용하다. 입출력 접근과 메모리 접근이 분리되어 메모리 주소 공간 전체를 활용할 수 있다.
• 명확성: 어셈블리어 소스 코드에서 입출력 수행을 쉽게 파악할 수 있다. 입출력 전용 명령어를 사용하기 때문이다.

• CPU 설계 단순화: CPU 내부 로직이 덜 필요하여 더 저렴하고, 빠르고, 쉽게 만들 수 있다. 이는 RISC 아키텍처와 임베디드 시스템에서 특히 유리하다.
• 어드레싱 모드 활용: 일반적인 메모리 명령어를 사용하므로, CPU의 모든 어드레싱 모드를 입출력에도 사용할 수 있다. ALU 연산을 I/O 장치 레지스터에 직접 수행할 수 있다.
• 주소 공간 문제 완화: 16비트 CPU에서 32비트, 64비트 CPU로 발전하면서, 입출력을 위한 메모리 주소 공간 확보가 더 이상 큰 문제가 되지 않는다.

• 레지스터 사용 제한: 포트 기반 입출력 명령어는 EAX, AX, AL 레지스터로만 데이터를 이동할 수 있다.
• 64비트 전송 미지원: AMD는 x86-64 아키텍처에서 64비트 포트 입출력을 지원하지 않는다.

4. 주소 디코딩

8비트 마이크로프로세서로 구현된 간단한 시스템을 예로 들어보자. 이 CPU는 16비트 주소 라인을 가지고 있어, 64 키비바이트(KiB)의 메모리에 접근할 수 있다. 이러한 시스템에서 주소 공간은 다음과 같이 할당될 수 있다.

위 표와 같이 처음 32 KiB는 램에, 다음 16 KiB는 롬에 할당되고, 나머지는 타이머, 카운터, 디스플레이 비디오 칩, 소리 구현 장치와 같은 다양한 장치들에 할당된다. 메모리 맵에 빈 공간들이 존재하는데, 이는 흔한 경우이다.

연결된 장치들은 자신에게 할당된 주소에만 반응하고, 다른 주소들은 무시한다. 이러한 역할을 하는 것이 주소 디코딩 회로이며, 이를 통해 시스템의 메모리 맵이 만들어진다.

예를 들어, 비디오 컨트롤러의 네 번째 레지스터가 화면의 바탕색을 지정한다고 할 때, CPU는 A003이라는 메모리 위치에 값을 기록하여 배경색을 지정할 수 있다. 이와 같은 방법으로 비디오 컨트롤러의 특별한 램 공간에 문자를 써서 화면에 글자를 표현할 수 있었다. 비트맵 디스플레이를 사용할 수 있도록 만든 저렴한 램이 나오기 전까지는, 이러한 문자 셀 방식을 이용해서 표시하는 것이 일반적이었다. (텍스트 사용자 인터페이스 참조)

주소 디코딩은 장치가 주소를 완전히 디코딩할 수도 있고, 불완전하게 디코딩할 수도 있다.

4. 1. 완전 주소 디코딩 (Complete Decoding)

4. 2. 불완전 주소 디코딩 (Incomplete Decoding)

4. 3. 선형 디코딩 (Linear Decoding)

5. 메모리 맵 입출력의 주의점

캐시 메모리가 주소 접근을 중재하므로, 서로 다른 주소에 쓰인 데이터는 프로그램 순서와 다르게 주변 장치의 메모리나 레지스터에 도달할 수 있다. 즉, 소프트웨어가 한 주소에 데이터를 쓰고 다른 주소에 데이터를 쓸 때, 캐시 쓰기 버퍼는 데이터가 그 순서대로 주변 장치에 도달하는 것을 보장하지 않는다. 캐시 시스템이 쓰기 순서를 최적화하면, 각 쓰기 후에 캐시 플러싱 명령어를 포함하지 않는 프로그램은 의도치 않은 입출력 효과를 볼 수 있다. 메모리에 대한 쓰기는 중복을 줄이거나 메모리 접근 주기를 더 효율적으로 사용하기 위해 재정렬될 수 있으며, 저장된 최종 상태는 변하지 않는다. 그러나 동일한 최적화는 메모리 맵 I/O 영역에 대한 쓰기의 의미와 효과를 완전히 바꿀 수 있다.

메모리 맵 I/O 영역 선택 예측 부족은 이전 세대 컴퓨터에서 많은 RAM 용량 장벽을 초래했다. 설계자들은 기기가 아키텍처의 이론적 RAM 용량을 최대한 활용할 것으로 예상하지 않아, 주소 공간의 상위 비트를 메모리 맵 I/O 기능 선택기로 사용하곤 했다.

메모리 맵 입출력은 메모리와 입출력 장치가 같은 주소 공간에 있지만, 대부분 (적어도 하드웨어적으로) 전혀 다른 방식으로 처리해야 한다는 점에 주의해야 한다. 예를 들어, 라이트 백 방식 캐시 메모리를 쓰는 시스템에서는 읽고 쓰기를 해도 버스에 데이터가 나타나지 않는 경우가 있으므로, 해당 주소 공간에 대해 캐시를 무효화해야 한다. 또한, 입출력 장치 레지스터군은 접근 순서가 정해진 경우가 많아, 아웃 오브 오더 실행 영향을 받으면 입출력 조작이 엉망이 될 수 있다. 따라서 많은 경우 시스템에 어떤 방식으로든 순서를 강제하는 방법이 있다. (순서뿐 아니라 접근 간격을 일정 이상으로 하기 위해 대기가 필요한 경우도 있으며, 아웃 오브 오더 실행이 문제가 되는 시스템 구성에서는 메모리 맵 입출력을 채용할 수 없다.)

시스템에 순서를 강제하는 방법으로 전용 명령을 설정하기도 한다. 구체적인 예로, PowerPC의 `eieio` (enforce in-order execution of I/O instruction^영어) 명령이 있다. 이는 메모리 맵 입출력을 실행할 때 쓰는 명령이며, 메모리 배리어로 기능한다. 즉, `eieio` 명령보다 앞선 로드 또는 스토어 명령이 완료된 후, `eieio` 명령 이후의 로드 또는 스토어 명령이 시작됨이 보장된다.^[6][7]

참조

_[1] 웹사이트 Bochs VBE Extensions - OSDev Wiki https://wiki.osdev.o[...]
_[2] 웹사이트 トランジスタ技術編集部 https://www.cqpub.co[...] 2020-12-11
_[3] 웹사이트 よくわかる！定番！組込みソフトウェア開発技術の基礎 https://www.jasa.or.[...] 2020-12-11
_[4] 서적 Computer Architecture and Organization
_[5] 서적 PC-9801解析マニュアル[第0巻] 秀和システムトレーディング株式会社 1983-06-30
_[6] 서적 The PowerPC architecture: A SPECIFICATION FOR A NEW FAMILY OF RISC PROCESSORS Morgan Kaufmann PUblishers, Inc
_[7] 서적 Optimizing PowerPC Code Addison-Wesley Publishing Company