시스템 버스의 구조와 설계

시스템 버스의 구조와 설계에 대해서

시스템 버스의 구조와 설계에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 컴퓨터 시스템의 각각의 구성 장치들을 연결하여 다양한 정보들을 전송하는 공유 전송 매체를 바로 시스템 버스라고 합니다. 이는 중앙처리장치를 중심으로 주기억장치, 보조기억장치, 입력장치, 출력장치가 데이터를 주고받는 통로를 말합니다. 시스템 버스의 주요 구성 요소에 관해서 설명하면 먼저 주소를 전달하는 주소 버스는 주기억장치에서 데이터를 읽고 쓰기 위해서 주소를 지정하기 위한 선들의 집합입니다. 단방향으로 전송하며 주소 버스의 비트 수는 기억장치의 용량을 결정하게 됩니다. 예를 들어서 주소 버스가 16비트면 2의 16제곱 개의 주소를 지정하고 바이트 단위로 데이터를 액세스한다면 65536바이트의 용량을 갖게 됩니다. 다음은 데이터를 전달하는 데이터 버스입니다. 데이터 버스는 각각의 장치들 사이의 데이터를 전송하는 선들의 집합입니다. 양방향으로 전송되며 보스의 폭은 주소를 지정하고 한 번에 읽고 씁니다. 그리고 주소당 32비트씩 데이터를 전송한다고 가정하면 데이터 버스의 수는 32개의 선을 갖게 됩니다. 다음으로 제어 신호를 전달하는 버스인 제어 버스입니다. 제어 버스는 중앙처리장치와 입력장치 및 출력장치, 메모리 장치를 제어하는 신호선들의 집합입니다. 제어 버스의 신호들에 관해서 설명하자면 먼저 인터럽트 요구 신호는 입력장치가 인터럽트를 요구하는 신호입니다. 그리고 인터럽트 승인 신호는 중앙처리장치가 인터럽트를 인식했다는 신호이며, 버스 요구 신호는 버스 마스터가 버스 사용을 요구하는 신호입니다. 다음으로 버스 승인 신호는 버스 사용을 요구한 마스터에게 버스 사용을 허가하는 신호이며, 기억장치 읽기 신호는 지정된 기억장치의 내용을 읽어서 데이터 버스에 실어주는 신호입니다. 그리고 기억장치 쓰기 신호는 중앙처리장치가 버스에 실어준 데이터를 지정된 주소에 저장되게 하는 신호입니다. 다음으로 입출력장치의 읽기 신호는 지정된 입력장치로부터 데이터를 읽어서 데이터 버스에 실어주는 신호이며, 입출력장치 쓰기 신호는 버스 상의 데이터가 출력장치로 출력하게 하는 신호입니다. 그리고 리셋 신호는 모든 시스템의 동작을 초기화시키는 신호이며, 버스 클록은 동기식 버스에서 버스의 동작 시간을 일치시키기 위해서 제공되는 공동을 클록 신호입니다. 마지막으로 전송 확인 신호는 데이터의 전송이 완료됐음을 알려주는 신호입니다. 이러한 시스템 버스의 설계 방법으로 버스는 한 지점에서 다른 지점으로 신호를 전송하는 물리적인 연결을 나타냅니다. 일반적으로 버스는 같은 동작을 하는 여러 개의 연결로 구성됩니다. 버스에서 데이터를 전송할 때는 모든 버스의 동작이 동기식과 비동기식으로 동작합니다. 여기서 동기식 버스란 클록 펄스에 의해서 데이터가 발생하며 마스터와 슬레이브는 모두 같은 클록 펄스에 동기됩니다. 또한 인터페이스 회로가 간단하다는 장점이 존재하지만 클록의 주기보다 짧은 동작은 다음의 주기까지 기다려야 하는 단점이 있습니다. 다음으로 비동기식 버스란 기준이 되는 클록 없이 핸드셰이킹 프로토콜을 사용합니다. 이 방법은 속도의 차이가 많은 장치에서 사용되며 각 버스의 동작이 완료되는 즉시 다음 동작이 이루어지기 때문에 시간의 낭비가 없다는 장점이 있지만 인터페이스 회로가 복잡하다는 단점이 존재합니다. 소규모 시스템에서는 비동기 방식이 사용되며 중형급 이상의 시스템에서는 공기식 방식을 사용하게 됩니다. 시스템 버스의 설계에서 버스 중재 방식도 설정해야 합니다. 여기서 버스 중재란 동시에 한 개 이상의 장치에서 버스를 요구할 때 필요하지만 한 개의 장치를 선택할 때도 필요한 방식입니다. 이때 동시에 버스 사용 경쟁이 벌어지는 것을 버스 경쟁이라고 하며 일정 기준에 따라 순서대로 선택권을 줍니다. 또한 버스 중재에 의해서 한 개의 장치씩만 선택해 버스의 사용권을 부여하며 이러한 기능을 수행하는 하드웨어 모듈을 버스 중재기라고 말합니다. 다음으로 공유 버스에 연결되어 있는 어떠한 장치가 버스를 사용하기 위해서 발생하는 버스의 동작에 관해서 설명하겠습니다. 여러 개의 장치가 버스 사용을 요청하며, 버스 마스터가 선택됩니다. 또한 버스 마스터는 주소와 읽고 쓰는 등의 제어 신호를 버스에 싣고 데이터 전송이 자연스럽게 이루어집니다. 그리고 사용을 끝낸 버스 마스터는 사용 완료 신호를 보내고 이러한 과정은 계속해서 반복적으로 이루어집니다. 버스 중재 방식은 중앙집중식 중재 방식과 분산식 중재 방식으로 크게 2가지의 방식으로 구성됩니다. 중앙집중식 중재 방식은 시스템 내에 중재기가 1개만 존재합니다. 특히 버스의 요구는 하나의 중재기에 보내지며 중재기는 원칙에 따라서 버스 마스터에게 아크 신호를 보냅니다. 하지만 분산식 중재 방식은 여러 개의 버스 중재기가 존재합니다. 또한 버스 중재가 각 마스터의 중재기에 의해서 이루어지며 중재기는 대부분 중앙처리장치의 속에 포함되어 있습니다. 여기서 대표적인 버스 중재기는 데이지 체이닝 방식과 폴링 방식이 존재합니다. 데이지 체이닝 방식은 예를 들어서 사과, 포도, 키위, 바나나가 있다면 사과와 포도를 연결하고 포도와 키위를 연결하고 키위와 바나나를 연결하는 버스 결선 방식을 말합니다. 이때, 가장 마지막에 존재하는 장치는 일반적으로 단말장치나 저항 장치에 접속됩니다. 그리고 버스 중재기 내의 고정된 하드웨어로 인해 모든 폴링 동작과 중재 기능이 수행되는 방식을 바로 폴링 방식이라고 말합니다. 이 방식은 버스 중재기와 버스 마스터 사이에 별도의 폴링 선이 존재한다는 것이 특징입니다. 지금까지 시스템 버스의 구조와 설계에 대해서 살펴봤습니다.