시스템 버스와 버스 중재

왜 배우는가: 시스템 버스는 CPU, 메모리, I/O 장치를 잇는 모든 컴퓨터의 공통 전송 경로이다. 여러 장치가 같은 버스를 요청할 때 누가 쓸지 정하는 버스 중재는 다중 프로세서와 입출력 구조를 다루는 문제에서 반복해서 등장한다.

출제 이력: 제137회 3교시 6번, 제128회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

시스템 버스는 CPU·메모리·I/O 장치를 잇는 공유 전송 경로이고, 버스 중재는 여러 마스터의 버스 요청 중 하나를 골라 승인하는 절차이다.

핵심 키워드

• 시스템 버스(System Bus)
• 주소 버스(Address Bus)
• 데이터 버스(Data Bus)
• 제어 버스(Control Bus)
• 버스 마스터(Bus Master)
• 버스 중재(Bus Arbitration)
• 중재기(Arbiter)
• 기아(Starvation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 시스템 버스는 컴퓨터 부품들이 함께 쓰는 공용 도로다. 한 번에 한 대만 달릴 수 있으므로 누가 먼저 달릴지 정하는 규칙이 필요하다.

정식 정의는 다음과 같다. 시스템 버스는 CPU, 주기억장치, 입출력 장치를 연결하는 공유 전송 매체이며, 데이터·주소·제어 신호선으로 구성된다. 버스는 한 번에 한 장치만 송신할 수 있고, 이를 공유하는 모든 장치는 전달된 신호를 수신할 수 있다.

데이터 버스(Data Bus)는 실제 데이터가 오가는 신호선의 집합이다. 선의 수가 한 번에 전송하는 비트 수를 정한다. 예를 들어 32비트 데이터 버스는 한 번에 32비트를 읽고 쓴다.

주소 버스(Address Bus)는 CPU가 접근할 위치의 주소를 전달한다. 선의 수가 접근할 수 있는 최대 기억장치 용량을 정한다. 주소선 수가 늘수록 더 큰 기억장치를 지정할 수 있다.

제어 버스(Control Bus)는 읽기와 쓰기, 입출력 읽기와 쓰기, 인터럽트, 버스 요청과 승인 같은 신호를 나른다. CPU가 명령을 내리고 장치가 상태를 돌려주는 통로이다.

버스 마스터(Bus Master)는 버스 사용을 요청하고 전송을 시작할 수 있는 장치이다. CPU, DMA 컨트롤러 등이 여기에 속하고, 메모리처럼 요청을 받기만 하는 장치는 슬레이브라고 한다.

버스 중재(Bus Arbitration)는 여러 버스 마스터의 요청이 겹칠 때 한 번에 한 마스터에게만 버스를 승인하는 절차이다. 승인은 공정하게 배분되어야 하며, 특정 마스터가 계속 밀려나는 기아가 없어야 한다.

버스 대역폭(Bandwidth)은 단위 시간에 전송할 수 있는 데이터량이며 바이트/초로 나타낸다. 버스 폭을 바이트 단위로 바꾼 값에 클록 속도를 곱해 구한다. 예를 들어 32비트는 4바이트이므로 120MHz 클록에서 4×120=480MB/s가 된다(1클록에 1회 전송한다고 가정).

3. 등장 배경과 필요성

초기 컴퓨터는 CPU와 기억장치, 입출력 장치를 장치마다 개별 배선으로 연결했다. 장치가 늘면 배선이 복잡해지고 비용과 확장 부담이 커진다. 이 문제를 줄이려고 여러 장치가 하나의 공통 경로를 공유하는 시스템 버스가 등장했다.

시스템 버스는 비용을 낮추고 모듈성을 높이기 위해 개발되었으며, 1970년대와 1980년대에 널리 쓰였다. 이후 현대 컴퓨터는 메모리 버스, 입출력 버스처럼 용도별 버스를 나누어 사용한다. 그럼에도 CPU와 메모리, 입출력을 잇는 기본 구조는 공유 버스 개념을 따른다.