[Computer Science][Operating System] 🚀 인터럽트(Interrupt) 이해하기

시스템 내에서 우선순위가 높은 작업이 발생했을 때, 이를 처리하기 위해 현재 진행 중인 작업을 멈추고 해당 작업을 먼저 처리하는 기능입니다.

지금 수행 중인 일보다 더 중요한 일(ex. 입출력, 우선 순위 연산 등)이 발생하면 그 일을 처리하고 나서 하던 일을 계속해야 합니다.

인터럽트는 CPU의 효율적인 작업 처리를 위한 중요한 메커니즘입니다. 외부 및 내부 인터럽트는 CPU의 하드웨어 신호에 의해 발생합니다.

🌐 외부 인터럽트

입출력 장치, 타이밍 장치, 전원 등 하드웨어가 신호를 보내는 외부적인 요인으로 발생합니다.
예: 전원 이상, 기계 착오, 외부 신호, 입출력

⚙️ 내부 인터럽트

Trap이라고 부르며, CPU 내부에서 발생하는 예외 상황에 의해 발생합니다. 잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때 발생하며, 프로그램 실행 중 발생하는 오류나 예외 상황(Exception Handling)을 포함합니다.
예: 0으로 나누기, 오버플로우, 잘못된 명령어 사용

📡 소프트웨어 인터럽트

프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생한 것(SVC 인터럽트 : Supervisor Call, 시스템 호출이 발생할 때 소프트웨어적으로 발생하는 인터럽트)입니다. 프로세스가 운영체제의 특정 서비스를 요청할 때 발생하며, 일반적으로 시스템 호출(System Call : 사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 사용하기 위해 호출하는 인터페이스) 을 통해 이루어집니다.

예: 사용자 프로그램이 파일을 열거나 닫기 위해 운영체제의 서비스를 요청할 때 발생하는 인터럽트입니다.

🔄 인터럽트 발생 처리 과정

주 프로그램이 실행되다가 인터럽트가 발생하면, 현재 수행 중인 프로그램을 멈추고 상태 레지스터와 PC(Program Counter) 등의 현재 상태를 스택에 잠시 저장합니다. CPU는 인터럽트 벡터 테이블(Interrupt Vector Table)을 참조하여 해당 인터럽트를 처리할 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 실행합니다. ISR은 해당 인터럽트를 처리하는 코드로, 잠시 저장하는 이유는 인터럽트 서비스 루틴이 끝난 뒤 다시 원래 작업으로 돌아와야 하기 때문입니다.

만약 인터럽트 기능이 없었다면, CPU가 외부 장치의 특정한 어떤 일을 할 시기를 알기 위해 계속 체크해야 했습니다(이를 폴링(Polling)이라고 합니다).

폴링을 하는 동안에는 CPU가 지속적으로 체크를 위해 할당되어야 하기 때문에 자원의 낭비가 발생합니다.

즉, CPU가 외부 장치의 상태를 확인하는 방법(우선순위 판별 방법)에는 두 가지가 있습니다.

📊 폴링 방식

사용자가 명령어를 사용해 입력 핀의 값을 계속 읽어 변화를 알아내는 방식입니다.

폴링 순서는 미리 정해진 우선순위(즉, 중요한 장치)에 따라 결정되어 높은 우선순위부터 먼저 폴링하고 낮은 우선순위로 넘어갑니다. 각 장치에는 인터럽트 요청 플래그들이 있어 이 플래그를 확인해서 가장 높은 우선순위의 플래그가 활성화되어 있는지를 확인하고 이를 처리합니다. 이 과정은 폴링 주기마다 반복됩니다.

인터럽트 요청 플래그를 차례로 비교하여 우선순위가 가장 높은 인터럽트 자원을 찾아 이에 맞는 인터럽트 서비스 루틴을 수행합니다 (하드웨어에 비해 속도가 느림).

⚡ 인터럽트 방식

MCU(Microcontroller Unit : CPU를 포함하는 소형 컴퓨터 시스템 칩) 자체가 하드웨어적으로 변화를 체크하여 변화 시에만 일정한 동작을 하는 방식입니다.

• Daisy Chain: 인터럽트들이 체인처럼 연결되어 있어, 우선순위가 높은 인터럽트부터 순서대로 처리되는 방식입니다.
• 병렬 우선순위 부여: 각 인터럽트에 대해 우선순위를 미리 설정해 두고, 우선순위에 따라 처리가 이루어집니다.

인터럽트 방식은 하드웨어로 지원을 받아야 하는 제약(즉, MCU가 인터럽트 기능을 지원해야 하며 인터럽트를 발생시킬 수 있는 기능 필요)이 있지만, 폴링에 비해 신속하게 대응하는 것이 가능합니다.(폴링은 주기를 가지고 체크하지만 인터럽트는 신호를 받는 순간 대응) 따라서 실시간 대응이 필요할 때는 필수적인 기능입니다.

결론적으로, 인터럽트는 발생 시기를 예측하기 힘든 경우에 컨트롤러가 가장 빠르게 대응할 수 있는 방법입니다.

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[1] velog - Interrupt (인터럽트) (https://velog.io/@yuseogi0218/Interrupt-%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8)
[2] 네이버 블로그 - [정보처리][EC구조] 31. 인터럽트 Interrupt - 네이버 블로그 (https://m.blog.naver.com/syunjae21/222065512231)
[3] 뭉게뭉게 클라우드 - [운영체제] 인터럽트(Interrupt) (https://nice-engineer.tistory.com/entry/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8Interrupt)
[4] velog - 인터럽트(Interrupt) (https://velog.io/@hoyun7443/%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8Interrupt)