시스템버스: CPU와 구성요소를 잇는 정보 전달 구조

CPU와 장치가 공유하는 전송 경로

시스템버스(System Bus)는 CPU가 메모리와 I/O 장치를 포함한 시스템 구성요소와 데이터, 주소, 제어 신호를 주고받는 물리적 통로다. 여러 장치가 하나의 통신 경로를 공유하므로, 이 경로의 구조는 시스템 성능과 확장성에 직접 영향을 준다.

여러 병렬 선(Wire)으로 구성된 버스는 시분할 방식으로 사용된다. 공유 자원인 만큼 동시에 사용하려는 장치 사이의 순서를 정하는 중재 메커니즘도 필요하다. 성능은 버스 폭(Width), 클럭 속도, 대역폭으로 판단한다.

주소·데이터·제어 신호의 역할

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주소버스(Address Bus)는 CPU에서 메모리나 장치로 향하는 단방향 경로다. CPU가 접근할 메모리 주소 또는 I/O 포트를 지정하며, 주소 폭은 메모리 용량을 결정한다. 주소 폭의 예로는 16비트(64KB), 32비트(4GB), 64비트(16EB)가 있다.

데이터버스(Data Bus)는 CPU와 메모리 또는 장치 사이에서 실제 데이터를 양방향으로 전달한다. 폭은 8비트, 16비트, 32비트, 64비트, 128비트로 구성될 수 있으며, 데이터 폭은 처리 속도와 연결된다.

제어버스(Control Bus)는 CPU와 시스템 사이에서 양방향으로 제어 신호를 전달한다. 읽기와 쓰기를 지정하는 READ/WRITE, 타이밍을 맞추는 CLOCK, 초기화를 위한 RESET, 인터럽트 요청을 위한 INTERRUPT, 버스 사용 요청과 승인을 위한 BUS REQUEST/GRANT가 여기에 해당한다.

버스 종류	방향	역할	예시
주소버스	단방향	주소 지정	A0-A31 (32비트)
데이터버스	양방향	데이터 전송	D0-D63 (64비트)
제어버스	양방향	제어 신호	RD, WR, CLK, INT

폭과 클럭이 대역폭에 미치는 영향

버스 폭은 한 번에 전송할 수 있는 비트 수다. 폭이 넓을수록 대역폭이 커지고 전송 속도도 빨라진다. 데이터버스 폭은 워드 크기(Word Size)와 같다.

버스 클럭은 버스 동작의 타이밍 기준이다. 클럭 속도가 높으면 초당 수행할 수 있는 전송 횟수가 늘어난다. 예로 100MHz, 400MHz, 800MHz가 있다.

대역폭(Bandwidth)은 초당 전송 가능한 데이터 양이며, 다음 식으로 계산한다.

(버스 폭 × 클럭 속도) / 8

64비트 × 800MHz 버스의 대역폭은 6.4GB/s다.

단일 경로와 계층형 경로의 차이

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단일 버스 구조에서는 모든 장치가 하나의 버스를 공유한다. 구조가 단순하고 비용이 저렴하지만, 장치가 같은 경로를 사용하면서 병목 현상과 속도 제한이 발생할 수 있다.

다중 버스 구조는 버스를 계층적으로 나누고 고속 장치와 저속 장치를 분리한다. FSB(Front Side Bus), Memory Bus, I/O Bus가 이 구조의 예다.

공유 버스의 사용 순서를 정하는 방법

여러 장치가 동시에 버스를 사용하려 하면 충돌이 발생할 수 있다. 버스 중재는 이를 막고 장치별 사용 순서를 결정하는 메커니즘이다.

방식	설명	장점	단점
집중식	중앙 중재기(Arbiter) 사용	공정, 효율적	단일 장애점
분산식	각 장치가 자율 중재	신뢰성 높음	복잡, 비용 증가
데이지 체인	우선순위 순서 전달	구현 간단	낮은 우선순위 기아

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PCIe·USB·AXI/AHB로 이어지는 버스 기술

PCI Express(PCIe)는 2.5GT/s ~ 64GT/s의 직렬 고속 버스다. 레인(Lane)을 x1, x4, x8, x16 단위로 확장하며 그래픽 카드, SSD, 네트워크 카드 연결에 사용한다.

USB(Universal Serial Bus)는 직렬 인터페이스다. USB 2.0은 480Mbps, USB 3.2는 20Gbps, USB4는 40Gbps를 제공하며 플러그 앤 플레이와 핫 스와핑을 지원한다.

AXI/AHB는 ARM 기반 SoC(System on Chip) 내부에서 사용하는 버스다. 고성능과 저전력 설계를 목표로 하며 모바일과 임베디드 시스템에 활용된다.