인터럽트

신명철·2022년 2월 3일

OS

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인터럽트

인터럽트는 CPU 가 특정 기능을 수행하는 도중 급하게 다른 일을 처리하고자 할 때 사용할 수 있는 기능이다.

정의

CPU 가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력 H/W 등의 장치에 예외사항이 발생해 처리가 필요할 경우 CPU 에게 알려 처리할 수 있도록 하는 것을 말한다. | 출처 : 위키피디아

즉 CPU 의 정상적인 프로그램 실행을 방해했다는 의미이다.
예를 들어, 키보드 키의 입력을 받으면 CPU 는 처리하던 작업에 대한 정보를 수집하여 PCB에 저장하고, ISR(Interrupt Sevice Routine)을 수행한다. 인터럽트 처리를 마친 후 CPU 는 이전에 처리하던 작업으로 돌아간다.
인터럽트를 발생시키기 위해서 S/W, H/W 는 CPU 내에 있는 인터럽트 라인을 세팅해 인터럽트를 발생시킨다.
CPU 는 매번 명령을 실행하기 전에 인터럽트 라인이 세팅되어 있는지를 검사한다.

하드웨어 인터럽트

OS의 관심(attention)이 필요한 H/W 장치에 의해서 만들어진다.

I/O 장치나 타이밍 장치, 전원 H/W 요인에 의해 발생한다.
전원 이상 인터럽트(전원에 이상 발생), 기계 착오 인터럽트(CPU의 기능적 오류 동작 발생), I/O 인터럽트(입출력의 종료 등의 이유로 CPU 수행 요청) 가 있다.

소프트웨어 인터럽트

OS의 수행이 필요한 요청이 있을 때 프로그램들에 의해 만들어진다.

잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때 발생한다.
인터럽트를 발생시키는 주체가 H/W 가 아닌 S/W 이기 때문에 S/W 인터럽트라고 부른다.
Exception(0으로 나누거나 주소 공간을 넘어가는 연산, Overflow, 등등 ..), System Call(OS의 서비스를 요청하기 위해 커널의 함수를 호출하는 것) 이 있다.
System Call이나 Exception은 사용자 프로세스로부터 CPU의 제어권이 OS에게 이양되어 처리된다.

인터럽트 처리 과정

Process A 실행 중 디스크에서 어떤 데이터를 읽어 오라는 명령을 받았다고 가정해보자.

Process A 는 System Call 을 통해 인터럽트를 발생시킨다.
CPU 는 현재 진행중인 기계어 코드를 완료한다.
현재까지 수행 중이던 상태를 Process의 PCB에 저장한다.
PC 에 다음에 실행할 명령의 주소를 저장한다.
인터럽트 벡터를 읽고 ISR 주소 값을 얻어 ISR 로 점프해 루틴을 실행한다.
해당 코드를 실행한다.
해당 일을 다 처리하면 대피시킨 레지스터를 복원한다.
ISR 의 끝에 IRET 명령어에 의해서 인터럽트가 해제된다.
IRET 명령어가 실행되면 대피시킨 PC 값을 복원해서 이전 실행 위치로 복원한다.

인터럽트 벡터

여러가지 인터럽트에 대해 해당 인터럽트를 발생 시 처리해야 할 루틴의 주소를 보관하고 있는 테이블

일종의 함수를 가리키는 포인터이다.

인터럽트 핸들러

실제 인터럽트를 처리하기 위한 루틴으로 인터럽트 서비스 루틴(ISR, Interrupt Service Routine)이라고도 한다.

운영체제 코드 부분엔 각종 인터럽트 별로 처리해야 할 내용이 이미 프로그램되어 있고, 이 부분을 입터럽트 서비스 루틴 혹은 인터럽트 핸들러라고 한다.
I/O 관련 인터럽트가 발생하면, CPU 는 인터럽트 라인을 통해 발생한 인터럽트를 확인한다.
그 후, 인터럽트 벡터를 통해 해당 인터럽트 발생 시 처리해야 할 루틴의 주소를 알아낸다.
주소를 통해 실제 수행되어야 하는 코드가 담겨있는 루틴을 찾아가서 상황에 맞는 처리를 진행한다.

인터럽트와 특권 명령

명령어의 종류

CPU 가 수행하는 명령에는 특권 명령과 일반 명령이 있다.

일반 명령 : 메모리에서 자료를 읽어 오고, CPU 에서 계산을 하는 등의 명령이고 모든 프로그램이 수행할 수 있는 명령이다.
특권 명령 : 보안이 필요한 명령으로, 입출력 장치나 타이머 등의 장치에 접근하는 명령이다. 항상 운영체제만이 수행할 수 있다.

kernel mode vs user mode

OS 는 kenel mode과 user mode 로 나뉘어 구동된다.

kenel mode : 운영체제 가 CPU 제어권을 가지고 명령을 수행하는 모드로, 일반 명령과 특권 명령을 모두 수행할 수 있다.
user mode : 일반 사용자 프로그램이 CPU 의 제어권을 가지고 명령을 수행하는 모드이다.

예시

위의 Process A 가 프로그램 명령 수행 중 디스크 입출력 명령을 읽은 경우를 생각해보자.
사용자 프로그램은 입출력 장치에 접근하는 명령을 수행할 수 없다. user mode 에서 특권 명령을 수행할 수 없기 때문이다.
이런 경우, 사용자 프로그램은 OS 에게 시스템 콜을 통해 특권 명령을 대신 수행해달라고 요청한다. 시스템 콜은 주소 공간 자체가 다른 곳으로 이동해야 하므로 프로그램이 인터럽트 라인에 인터럽트를 세팅하는 명령을 통해 이루어진다.