입출력과 버스

장치마다 작은 관리인이 있다

CPU가 SSD의 플래시 셀이나 Wi-Fi 칩의 전파를 직접 조종하지는 않는다. 각 장치에는 그 장치를 전문으로 다루는 작은 칩, 즉 장치 컨트롤러(device controller)가 붙어 있다. 컨트롤러 안에는 CPU가 읽고 쓸 수 있는 몇 개의 칸(장치 레지스터)이 있다. “명령” 칸, “상태” 칸, “데이터” 칸 같은 것이다. CPU는 이 칸에 “블록 812번을 읽어라”라고 적고, 상태 칸을 보고 일이 끝났는지 확인한다.

장치마다 칸의 의미와 사용법이 다르기 때문에, 운영체제는 장치별 사용 설명서를 프로그램으로 만들어 둔다. 이것이 8장에서 본 드라이버다. 앱은 “파일을 읽어 줘”라고만 말하고, 드라이버가 그 장치의 언어로 번역해 컨트롤러에게 전한다.

끝났는지 어떻게 알까: 폴링, 인터럽트, DMA

CPU가 SSD에게 “블록을 읽어라”라고 시켰다. SSD는 CPU보다 수만 배 느리다. 그동안 CPU는 무엇을 해야 할까? 세 가지 방법이 있다.

• 폴링(polling): CPU가 “다 됐어?” 하고 상태 칸을 쉬지 않고 확인한다. 간단하지만 기다리는 내내 CPU가 묶인다. 배달 앱을 1초마다 새로고침하는 것과 같다.
• 인터럽트(8장): 장치가 일을 마치면 CPU에게 신호를 보낸다. CPU는 그동안 다른 일을 한다. 대신 데이터 조각이 올 때마다 CPU가 직접 메모리로 옮겨 담아야 한다.
• DMA(Direct Memory Access): CPU는 “이 파일 전체를 메모리 이 위치로 옮겨 놓고 다 되면 알려 줘”라고 한 번만 지시한다. DMA 장치가 메모리로 직접 옮기고, 모두 끝났을 때 인터럽트를 한 번 건다.

그래서 요즘 컴퓨터에서 대량의 데이터를 옮기는 장치, 즉 SSD, GPU, 네트워크 칩, 오디오 칩은 거의 모두 DMA를 쓴다. 4K 영상을 녹화하거나 큰 게임을 설치하는 동안에도 CPU가 다른 일을 여유 있게 할 수 있는 이유다. 반면 키보드처럼 가끔 아주 적은 데이터를 보내는 장치는 인터럽트만으로 충분하다.

연결 통로의 폭: USB, PCIe, SATA

장치와 컴퓨터를 잇는 통로는 종류마다 폭(대역폭, 10장)이 크게 다르다. 같은 SSD라도 어떤 통로에 꽂느냐에 따라 속도가 수십 배 차이 난다. 요즘 고속 통로들은 공통점이 있다. 여러 가닥의 전선에 0과 1을 동시에 싣는 대신, 몇 가닥에 아주 빠르게 차례로 싣고(직렬), 필요하면 이런 가닥 묶음(레인)을 여러 개 나란히 쓴다. PCIe x4는 레인 4개, x16은 16개다.

화면은 어떻게 그려지나: 프레임 버퍼와 주사율

GPU는 완성된 화면 한 장을 메모리의 특별한 영역에 그려 둔다. 이 영역을 프레임 버퍼(frame buffer)라 한다. 4K 화면이면 약 830만 픽셀 × 4바이트 ≈ 33 MB다. 모니터는 이 버퍼를 1초에 60번(60 Hz), 또는 120번, 144번씩 위에서 아래로 한 줄씩 읽어 가며 화면을 다시 칠한다. 1초에 화면을 몇 번 다시 칠하는지가 주사율(refresh rate)이다.

문제는 GPU가 그림을 완성하는 속도(초당 프레임 수, fps)와 모니터가 읽는 속도가 맞지 않을 때 생긴다. 모니터가 화면의 절반쯤 읽었을 때 GPU가 새 그림으로 바꿔 버리면, 화면의 위쪽은 옛 그림, 아래쪽은 새 그림이 된다. 움직이는 물체가 가로로 어긋나 보이는 이 현상이 화면 찢김(tearing)이다.

키 하나가 글자가 되기까지

지금까지 본 조각들을 모아, 키보드의 A 키를 눌러 메모장에 ‘a’가 나타나기까지를 따라가 보자. 14장의 큰 여행 중 첫 몇 걸음을 확대한 것이다.