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컴퓨터 하드웨어 포트

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목차

1. 개요

컴퓨터 하드웨어 포트는 컴퓨터와 주변 장치 간의 데이터 전송을 위한 인터페이스로, 전기 신호 전송 방식에 따라 아날로그 포트와 디지털 포트로 구분된다. 디지털 포트는 병렬 및 직렬 포트로 나뉘며, 연결 후 핸드셰이킹을 통해 데이터 전송 설정을 공유한다. 핫 스와핑을 지원하며, USB, FireWire, USB-C, Lightning 등 다양한 종류가 있다. 또한, I/O 카드는 PC/AT 호환 기종의 확장 보드 형태로, 다양한 인터페이스를 제공하며, I/O 공간은 CPU와 주변 장치 간의 통신을 위한 주소 공간으로, PC/AT 호환 기종에서 주변 장치에 할당된 I/O 주소의 예시를 볼 수 있다.

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컴퓨터 하드웨어 포트

2. 전기 신호 전송

하드웨어 포트는 전기 신호 전송 방식에 따라 아날로그 포트와 디지털 포트로 나눌 수 있다. 디지털 포트는 다시 병렬 포트와 직렬 포트로 나뉜다.[1]

광섬유, 마이크로파와 같이 금속 전선을 사용하지 않는 연결 방식도 있다. 광학 연결은 주로 연마된 유리나 플라스틱 인터페이스를 사용하며, 마이크로파는 파이프를 통해 전송된다.[1]

하드웨어 포트 트렁킹(HPT)은 여러 포트를 묶어 대역폭을 넓히고 결함 허용 기능을 향상시키는 기술이다.[1]

2. 1. 디지털 포트


  • 디지털 포트는 다음과 같이 분류할 수 있다.
  • 병렬 포트는 여러 개의 전선을 통해 여러 비트를 동시에 전송한다.
  • 직렬 포트는 한 쌍의 전선(접지 및 +/-)을 통해 한 번에 한 비트씩 데이터를 주고받는다.
  • 포트가 연결된 후에는, 데이터 전송에 필요한 정보(전송 유형, 속도 등)를 공유하는 핸드셰이킹 과정이 필요하다.
  • 핫 스와핑을 지원하는 포트는 장비 작동 중에도 연결할 수 있다. 대부분의 개인용 컴퓨터 포트는 핫 스와핑을 지원한다.
  • 플러그 앤 플레이 포트는 연결 즉시 자동으로 핸드셰이킹을 시작한다. USB 포트와 FireWire 포트가 대표적이다.
  • 자동 감지 포트는 연결된 장치 종류와 포트 용도를 자동으로 결정한다. 일부 사운드 카드는 연결된 컴퓨터 스피커의 종류(좌/우, 전면/후면)를 묻는 창을 표시하여 서라운드 사운드 설정을 돕는다. 이 때 사용되는 물리적 단자는 1/8" 팁-링-슬리브 미니 잭이다. 일부 자동 감지 포트는 상황에 따라 입/출력을 전환하기도 한다.
  • 2006년 기준으로, 개인용 컴퓨터 포트 색상은 어느 정도 표준화되었지만, 강제성은 없다.
  • 주황색, 보라색, 회색: 키보드 PS/2
  • 녹색: 마우스 PS/2
  • 파란색, 자홍색: 병렬 프린터 DB-25
  • 호박색: 직렬 DB-25 또는 DB-9
  • FireWire 포트는 비디오 장비 등에 사용되며, 4핀 또는 6핀 형태이다. 6핀은 추가 도체 2개를 통해 전원을 공급한다. 캠코더는 자체 전원 문제로 카메라 쪽은 4핀, 컴퓨터 쪽은 6핀 케이블을 사용하며, 노트북 컴퓨터는 보통 4핀 FireWire 포트만 제공한다.
  • 2014년 발표된 USB-C는 양방향 연결이 가능한 표준이다. 애플의 Lightning도 양방향 커넥터이다.
  • 컴퓨터 시스템의 디지털 인터페이스에서 I/O 포트는 1개 단자의 전압(0V 또는 5V 등)으로 0 또는 1을 출력하거나, 1개 단자의 전압으로 0 또는 1을 판별하는 회로이다.
  • 입/출력 겸용 회로가 많으며, 레지스터 설정으로 입/출력을 전환한다.
  • CPU 주변 장치로 LED, 스위치 등을 연결하여 LED 표시, 릴레이 제어, 버튼 입력 등에 사용된다. 주로 8개 단위로 구성되며, 패러럴 I/O라고도 한다.
  • 과거 주변 LSI 제품 예시는 다음과 같다.

제품명설명
i8255 (Programmable Peripheral Interface, PPI)8비트 I/O 포트 3개(포트 A, B, C) 제공. 포트 C는 1비트 단위 입/출력 전환 가능. 전원 투입 시 입력 상태, 내부 풀업 저항 없음.
Z84C20 (Z80PIO)Z80 제품군의 패러럴 I/O 인터페이스. 8비트 I/O 포트 2개 제공.
MC6821셰이크 핸드 기능 සහිත 8비트 I/O 포트 2개 제공. 프린터 인터페이스로 사용 가능.


  • 최근에는 주변 장치가 단독으로 사용되는 경우는 드물며, 칩셋이나 마이크로컨트롤러에 내장되어 사용된다.
  • 마이크로컨트롤러 내장 회로는 범용 입출력 포트(GPIO, General Purpose I/O)라고도 한다. GPIO는 입/출력 전환 외에 풀업/풀다운, 출력 드라이버 강도 등도 설정 가능하다.
  • 계측 및 제어 분야 보드 제품에서는 디지털 I/O (DIO, Digital I/O)라고도 한다.

2. 2. 연결 및 설정

하드웨어 포트는 연결된 후 일반적으로 핸드셰이킹을 거쳐 데이터 전송 유형, 전송 속도 등 필요한 정보를 공유한다.[1]

핫 스와핑이 가능한 포트는 장비 작동 중에도 연결할 수 있으며, 개인용 컴퓨터의 거의 모든 포트가 핫 스와핑을 지원한다.[1]

플러그 앤 플레이 포트는 연결된 장치가 핫 스와핑되는 즉시 자동으로 핸드셰이킹을 시작한다. USB 포트와 FireWire 포트가 대표적인 플러그 앤 플레이 포트이다.[1]

자동 감지 포트는 연결된 장치의 종류와 포트 자체의 용도를 자동으로 결정한다. 예를 들어, 일부 사운드 카드는 연결된 컴퓨터 스피커의 종류(왼쪽, 오른쪽, 전면, 후면)를 묻는 대화 상자를 표시하여 1/8" 팁-링-슬리브 미니 잭 포트의 용도를 결정한다. 일부 자동 감지 포트는 상황에 따라 입력과 출력을 전환하기도 한다.[1]

2006년 기준으로 개인용 컴퓨터 포트와 관련된 색상은 어느 정도 표준화되었지만, 보장되지는 않는다. 일반적인 색상 표준은 다음과 같다.[1]

USB 포트는 사양 및 데이터 전송 속도에 따라 색상으로 구분된다. 일반적으로 USB 1.x 및 2.x 포트는 흰색 또는 검은색, USB 3.0 포트는 파란색, SuperSpeed+ 커넥터는 청록색이다.[1]

FireWire 포트는 비디오 장비 등에 사용되며 4핀 또는 6핀일 수 있다. 6핀 연결은 두 개의 추가 도체로 전력을 전달한다. 그래서 캠코더와 같이 자체 전원 장치는 카메라 측면에 4핀, 컴퓨터 측면에 6핀인 케이블로 연결된다. 노트북 컴퓨터는 일반적으로 4핀 FireWire 포트만 갖는데, 6핀 연결이 제공하는 전력을 필요로 하는 장치를 충족할 만큼 충분한 전력을 제공할 수 없기 때문이다.[1]

광섬유, 마이크로파 등은 금속 전선을 사용하지 않는 다른 종류의 연결을 사용한다. 광학 연결은 연마된 유리 또는 플라스틱 인터페이스를 사용하며, 마이크로파는 파이프를 통해 전도된다.[1]

하드웨어 포트 트렁킹 (HPT)은 여러 하드웨어 포트를 단일 그룹으로 결합하여 더 높은 대역폭과 결함 허용 기능을 제공하는 기술이다.[1]

2014년에 발표된 USB-C 표준은 이전 커넥터를 대체하며 양방향으로 꽂을 수 있다. 양방향 플러그는 대칭 핀 배열을 가지며, 애플의 Lightning도 양방향 커넥터이다.[1]

컴퓨터 시스템의 디지털 인터페이스에서 I/O 포트란, 1개의 단자에 0 또는 1 (구체적으로는 0V 또는 5V 등의 전압)을 선택하여 출력하거나, 1개의 단자의 전압에 따라 0 또는 1을 판별하여 그 상태를 읽을 수 있는 회로를 말한다.

대부분의 I/O 포트는 입력과 출력을 모두 수행할 수 있는 회로 구성으로 되어 있으며, 레지스터의 설정에 따라 입력 또는 출력을 전환하여 사용할 수 있다. 입력 전용 또는 출력 전용 회로도 존재한다.

I/O 포트는 CPU의 주변 장치로 존재하며, LED나 스위치를 연결하여 LED 표시, 릴레이 ON/OFF, 버튼 입력 등에 사용된다. 8개 단위로 구성되는 경우가 많으며, 패러럴 I/O라고도 불린다.

다음은 CPU 패밀리로서 존재했던 주변 LSI의 구체적인 제품 예시이다.

  • i8255 (Programmable Peripheral Interface, PPI): 포트 A, B, C의 8비트 I/O 포트 3개를 가지고 있으며, 포트 C는 1비트 단위로 입력/출력 전환이 가능하다. 전원 투입 시 포트 상태는 입력이며, 내부 풀업 저항은 없다.
  • Z84C20 (Z80PIO): Z80 패밀리의 패러럴 I/O 인터페이스로 8비트 I/O 포트 2개를 가지고 있다.
  • MC6821: 셰이크 핸드 기능을 갖춘 8비트 I/O 포트 2개를 갖추고 있으며, 프린터 인터페이스로 사용할 수 있다.


현재 이러한 주변 장치는 단독으로 사용되는 경우는 적으며, 칩셋이나 마이크로컨트롤러에 내장되어 사용되고 있다.

마이크로컨트롤러 내장 회로의 경우, 범용 입출력 포트 또는 GPIO(General Purpose I/O)라고도 불린다. GPIO는 입력/출력 전환 외에 풀업 유/무, 풀업/풀다운, 출력 드라이버의 강약 등도 설정할 수 있다.

계측 및 제어 분야의 보드 제품에서는 디지털 I/O 또는 DIO (Digital I/O)라고도 불린다.

2. 3. 포트 색상

2006년 현재, 개인용 컴퓨터 제조업체들은 포트와 관련된 색상을 거의 표준화했지만, 항상 보장되는 것은 아니다. 다음은 일반적인 포트 색상에 대한 목록이다.

포트 종류색상
PS/2 키보드주황색, 보라색 또는 회색
PS/2 마우스녹색
병렬 프린터 (DB-25)파란색 또는 자홍색
직렬 DB-25 또는 DB-9호박색
마이크 1/8" 스테레오 (TRS) 미니 잭파스텔 핑크
스피커 1/8" 스테레오 (TRS) 미니 잭파스텔 그린



USB 포트는 사양 및 데이터 전송 속도에 따라 색상으로 구분된다. 예를 들어, USB 1.x 및 USB 2.0 포트는 일반적으로 흰색 또는 검은색이고, USB 3.0 포트는 파란색이다. SuperSpeed+ 커넥터는 청록색이다.

3. 포트 종류

하드웨어 포트는 신호 전송 방식에 따라 아날로그 포트와 디지털 포트로 나눌 수 있다. 디지털 포트는 다시 병렬 포트와 직렬 포트로 나뉜다. 병렬 포트는 여러 개의 전선 묶음을 통해 여러 비트를 동시에 전송하는 반면, 직렬 포트는 단일 와이어 쌍을 통해 한 번에 한 비트씩 데이터를 전송한다.[1]

포트가 연결된 후에는 핸드셰이킹이 필요한데, 이는 데이터 전송 전에 전송 유형, 전송 속도 등의 정보를 공유하는 과정이다. 핫 스와핑이 가능한 포트는 장비가 작동 중일 때 연결할 수 있으며, 개인용 컴퓨터의 거의 모든 포트는 핫 스와핑을 지원한다.[1]

플러그 앤 플레이 포트는 연결된 장치가 핫 스와핑이 완료되는 즉시 자동으로 핸드셰이킹을 시작하도록 설계되었다. USB 포트와 FireWire 포트가 대표적인 예이다.[1] 자동 감지 포트는 연결된 장치의 종류를 자동으로 결정하고 포트 자체의 용도도 결정하는 기능을 제공한다. 예를 들어, 일부 사운드 카드는 연결된 스피커의 종류에 따라 서라운드 사운드 설정을 위한 위치를 묻는 대화 상자를 표시한다.[1]

2006년 기준으로 개인용 컴퓨터 포트와 관련된 색상은 어느 정도 표준화되었지만, 보장되지는 않는다. 일반적인 색상 표준은 다음과 같다.[2]

포트 종류색상
키보드 PS/2 커넥터주황색, 보라색 또는 회색
마우스 PS/2 커넥터녹색
병렬 프린터 DB-25파란색 또는 자홍색
직렬 DB-25 또는 DB-9호박색
마이크 1/8" 스테레오 (TRS) 미니 잭파스텔 핑크
스피커 1/8" 스테레오 (TRS) 미니 잭파스텔 그린



FireWire 포트는 비디오 장비에 사용되며 4핀 또는 6핀일 수 있다. 6핀 연결은 전력을 전달하는 두 개의 추가 도체를 가지고 있다.[2]

광섬유, 마이크로파 등은 금속 전선이 효과적이지 않기 때문에 다른 종류의 연결을 사용한다. 광학 연결은 일반적으로 연마된 유리 또는 플라스틱 인터페이스를 사용하며, 마이크로파는 파이프를 통해 전도된다.[2]

하드웨어 포트 트렁킹(HPT)은 여러 하드웨어 포트를 단일 그룹으로 결합하여 더 높은 대역폭을 가진 단일 연결을 만드는 기술이다. 이는 결함 허용 기능을 제공하기도 한다.[2]

3. 1. DVI (Digital Visual Interface)

케이블


DVI 포트는 VESA Flat Panel Display Interface Standard, FPDI-1, V1.0, R2.0 1995 규격을 따른다.

3. 2. DisplayPort

디스플레이포트 케이블

3. 3. eSATA

eSATA는 컴퓨터의 외부 연결 단자 중 하나로, 커넥터 모양과 핀 배치가 규격화되어 있다.

3. 4. PS/2

색상 코드


케이블


PS/2 커넥터는 컴퓨터의 외부 연결 단자 중 하나이다.

3. 5. 직렬 포트 (Serial Port)

직렬 포트는 단일 와이어 쌍(접지 및 +/-)을 통해 한 번에 한 비트씩 데이터를 주고받는 포트이다. 2006년 현재, 제조업체는 개인용 컴퓨터의 포트와 관련된 색상을 거의 표준화했지만, 보장은 없다. 직렬 포트는 주로 호박색으로 표시된다.

9핀 직렬 포트는 DE-9라고도 불리며, RS-232 ANSI/TIA/EIA-574-90 표준 규격을 따른다.

3. 6. VGA 단자

케이블


VESA에서 제정한 Advanced Feature Connector (VAFC) Standard V1.0, R1.1 1995 표준을 따른다.

3. 7. SCSI

SCSI는 용도에 따라 커넥터 모양과 핀 배치가 규격화된 컴퓨터의 외부 연결 단자를 가리킨다.

3. 8. USB (Universal Serial Bus)

USB(Universal Serial Bus)는 플러그 앤 플레이 포트로, 장비가 작동 중일 때 연결할 수 있는 핫 스와핑을 지원하며 연결된 장치가 핫 스와핑이 완료되는 즉시 자동으로 핸드셰이킹을 시작하도록 설계되었다.[1] USB 포트는 사양 및 데이터 전송 속도에 따라 색상으로 구분되는데, USB 1.x 및 2.x 포트는 일반적으로 흰색 또는 검은색이고, USB 3.0 포트는 파란색이며, SuperSpeed+ 커넥터는 청록색이다.[2]

2014년에 발표된 USB-C 표준은 이전 커넥터를 대체하며 양방향으로 꽂을 수 있다는 특징이 있다.[3] 양방향 플러그는 대칭 핀 배열을 갖는다.[3] USB의 표준 규격은 USB Implementers Forum USB 규격이다.[4]

4. I/O 카드 (일본어 문서 내용)

I/O 카드는 PC/AT 호환기종을 구성하는 확장 보드의 일종으로, 시리얼 포트나 프린터 포트 등의 기능을 가진 것이다. 현재 PC를 구성하는 부품으로서의 I/O는 오랜 시간 동안 몇 번의 전환기를 맞이했다.

4. 1. I/O 카드

I/O 카드는 PC/AT 호환기종을 구성하는 확장 보드의 일종으로, 시리얼 포트나 프린터 포트 등의 기능을 가진 것이다. 현재 PC를 구성하는 부품으로서의 I/O는 오랜 시간 동안 몇 번의 전환기를 맞이했다. 특정 인터페이스를 확장할 목적으로, 인터페이스 기능과 보드가 1대1로 대응하는 것이다. 시리얼 인터페이스, 병렬 인터페이스, 플로피 디스크 컨트롤러, IDE 하드 디스크 컨트롤러, GPIB 인터페이스 카드 등이 있었다. 단일 기능 확장 카드는 후술할 시대의 변천의 영향을 크게 받지 않고, 카드의 인터페이스 방식이 시대에 맞는 것이 제작되어 판매되고 있다.

4. 2. 멀티 I/O 카드

과거의 마더보드는 CPU 소켓과 메모리 소켓, ISA 버스 백플레인만 탑재하고 있었다. 따라서 주변 기기를 연결하기 위한 카드가 판매되었다. 대부분 ISA 버스용으로, 시리얼 인터페이스, 패러럴 인터페이스, 플로피 디스크 컨트롤러, IDE 하드 디스크 컨트롤러를 탑재하고 있었다. 이 시기에는 앞서 언급한 단일 기능 카드를 여러 개 장착하거나, 아니면 한 장으로 끝나는 멀티 I/O 카드를 탑재하는 것이 필수였다.

4. 3. 슈퍼 I/O 카드

VL 버스가 등장하면서 I/O 카드도 VL 버스를 지원하게 되었다. 주로 하드 디스크 접근 성능이 향상되었으며, 슈퍼 I/O 카드라고 불렸다. 하지만, VL 버스는 33MHz 구동 시 2개 장착이 한계였으며, 이 당시 하드 디스크 접근 시 오류가 자주 발생했다. 과도기였기에 슈퍼 I/O 카드의 상당 기능을 마더보드에 통합하는 제조사도 있었다(소위 올인원이다).

4. 4. 온보드화

마더보드에 입출력(I/O) 기능을 구현할 때, CPU가 바뀌면 버스도 바뀌어야 해서 설계에 많은 투자를 해야 했다. 그래서 인터페이스 칩 제조업체, 마더보드 제조업체, PC 제조업체는 통일된 인터페이스를 요구했다.

원래 비디오 카드나 I/O를 마더보드에 배치하고 접근하기 위한 PCI 로컬 버스는 규격이 제정되면서 확장 카드 슬롯으로 구현되는 성격을 띠게 되었다. (PCI는 초창기에 PCI 로컬 버스라고 불렸지만 확장 버스로 사용되면서 그냥 PCI 버스라고 불리게 되었다.)

I/O 제어 칩 제조업체는 미리 버스 사양을 알고 있었기 때문에, PCI 버스가 등장하자마자 바로 PCI 버스용 슈퍼 I/O 카드를 제공했다. 그러나 그것은 이미 시대에 뒤떨어진 것이 되었고, 모든 I/O를 마더보드에 탑재하는 올인원(all-in-one) 설계 제품으로 대체되었다.

4. 5. 레거시 장치의 쇠퇴

마더보드에 존재하는 직렬 포트나 병렬 포트 등은 1990년대 후반 이후 레거시 장치로 취급받게 되었으며, USB로 대체가 가능해짐에 따라 비용 절감의 목적으로 점차 폐지되고 있다. 2007년 현재, 키보드와 마우스, 프린터 등은 USB로 직접 연결하는 방식이 보편화되어 있다. 또한, 직렬 포트나 병렬 포트, PS/2 등 기존 인터페이스를 가진 장치를 USB 버스에 연결하기 위한 브리지도 제품화되어 있다.

레거시 장치가 존재하지 않는 PC에 USB 키보드나 USB 마우스를 연결했을 경우, 부팅 시 BIOS 측의 에뮬레이션을 통해 PS/2 연결과 동일하게 작동하는 기능을 가진 것도 있다. 마찬가지로 SATA를 패러럴 ATA로 보이게 하는 에뮬레이션을 수행하는 BIOS도 존재한다.

5. I/O 공간 (일본어 문서 내용)

Z80이나 인텔(Intel) x86 등의 CPU나 PCI 버스 등에서는 메인 메모리와는 별개의 주소 공간으로 I/O 공간이 있으며, 주변 장치의 레지스터를 연결하기 위해 마련되어 있다. x86에서 I/O 공간은 메모리 공간보다 좁고, 접근할 수 있는 명령어 또한 제한되어 있다. I/O 공간의 주소는 I/O 주소 또는 I/O 포트 주소라고 불린다. 마이크로프로세서나 OS가 보호 기능을 가지고 있는 경우, 애플리케이션이 I/O 공간에 접근하는 것을 제한할 수 있다.

인텔 계열 프로세서와 달리, ARM이나 모토롤라 계열 프로세서(이들뿐만 아니라 근년의 RISC 프로세서에서는 거의 모두)에서는 I/O 공간이 존재하지 않으므로 주변 장치의 레지스터는 메모리 공간에 배치된다. 이것을 메모리 맵 I/O라고 한다.

PCI 버스의 I/O 공간은, I/O 공간을 가지지 않는 프로세서에서는 메인 메모리 공간의 일부에 I/O 공간을 배치함으로써 실현하고 있다.[7]

5. 1. PC/AT 호환기의 I/O 주소 배치 예시

PC/AT 호환기에서 공통적으로 사용되는 주변 장치의 일반적인 I/O 주소 배치는 다음과 같다.[7]

주변 장치I/O 주소
인터럽트 컨트롤러(8259A x 2)0x0020-0x0021, 0x00A0-0x00A1
DMA(8237A x 2)0x0080-0x008F, 0x0000-0x000F
하드 디스크 컨트롤러 IDE x 20x01F0-0x01F7, 0x0170-0x0177
시리얼 포트(16550 호환 x 2)0x02F8-0x02FF, 0x03F8-0x03FF
프린터 포트0x0378-0x037F
플로피 디스크 컨트롤러 FDC(765A 호환)0x03F0-0x03F7


참조

[1] 웹사이트 A Brief Introduction to USB Color Code (USB Wire & Port) https://www.partitio[...] 2023-07-06
[2] 웹사이트 Definition of reversible plug https://www.pcmag.co[...] 2024-07-12
[3] 웹사이트 USB Type-C® Cable and Connector {{!}} Language Usage Guidelines from USB-IF https://www.usb.org/[...]
[4] 웹사이트 Apple's Lightning connector detailed in extensive new patent filings https://appleinsider[...] 2013-05-09
[5] 웹사이트 What is a computer port? https://www.techtarg[...] 2024-02-18
[6] 문서
[7] 웹사이트 CQ出版 パソコンのレガシィI/O活用大全 http://www.cqpub.co.[...] CQ出版


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