🛎️ 쿠키 굽는 중 초인종이 울리면? – 컴퓨터 인터럽트 시스템 완전 정복

1) 🍪 쿠키 반죽하다가 생긴 문제: 컴퓨터에도 벌어지는 일

자, 상상해봅시다. 오늘은 집에 혼자 있는 날이고, 당신은 주방에서 맛있는 초콜릿 칩 쿠키를 만들고 있어요. 반죽기에서 버터를 녹이고, 설탕을 넣고, 재료를 하나하나 섞으며 레시피를 따라가죠. 그런데 이때…

🛎️ “딩동!”

문 앞에서 누군가 초인종을 눌렀습니다. 중요한 소포일 수도 있고, 그냥 지나가던 세일즈맨일 수도 있어요. 그런데 문제는—쿠키 반죽 중간에 누가 왔는지 알 방법이 없다는 것입니다. 쿠키를 태우지 않으면서도 누가 왔는지 확인하려면 어떻게 해야 할까요?

바로 이 상황, 컴퓨터에서도 그대로 일어납니다.
컴퓨터는 "한 번에 한 가지 작업"을 순서대로 착실히 처리하지만, 갑자기 중요한 외부 이벤트(입력, 도착한 네트워크 패킷, 알람 등)가 발생할 수도 있죠.

그럼 컴퓨터는 어떻게 초인종에 반응할까요?

답은 바로 인터럽트(Interrupt) 시스템입니다.

2) 📜 순서도 이야기: 폴링(polling)과 그 한계

처음엔 이렇게 할 수 있습니다:

쿠키 굽기 → 초인종이 울렸는지 확인 → 아니면 계속 → 또 확인 → 또 확인

이런 방식은 실제로 존재해요. 이름하여 폴링(polling). 컴퓨터가 일정 주기마다 외부 입력이 있는지 계속 검사하는 방식이죠. 초인종이 울렸는지 반복적으로 확인하는 거예요.

하지만 이 방식은 문제가 많아요:

• 초인종이 안 울렸다면? 👉 확인하는 데 불필요한 시간 낭비
• 초인종이 울렸지만 확인 전에 지나쳤다면? 👉 기회를 놓침

👎 “계속 쳐다봐야 반응할 수 있는 시스템, 비효율적이죠.”

그래서 더 똑똑한 시스템이 필요했습니다.

3) 🧠 컴퓨터의 똑똑한 반응 – 인터럽트 시스템의 등장

이제 컴퓨터는 마치 초인종이 울릴 때만 반응하는 초인종 시스템을 갖게 됩니다.

이게 바로 인터럽트 시스템입니다.

• Interrupt (인터럽트): 현재 작업을 잠시 중단하고, 더 중요한 일에 즉시 반응할 수 있게 해주는 시스템
• 즉, 초인종이 울리면 쿠키 반죽을 잠깐 멈추고 문 앞을 확인한 뒤, 다시 돌아오는 방식

✔️ 인터럽트가 필요한 이유

상황	설명
키보드 입력	사용자가 키를 누르면 즉시 반응해야 함
타이머 알람	프로그램을 일정 시간 후 멈추거나 재시작해야 함
네트워크 수신	데이터가 도착했을 때 즉시 읽어야 함
예외 처리	오류 상황이 발생하면 즉시 중단하고 조치 필요

🔌인터럽트란?

컴퓨터는 순서대로 명령어를 착실하게 실행합니다.
하지만 현실 세계는 예측 불가능하죠.

• 키보드를 눌렀을 때
• 마우스를 클릭했을 때
• 타이머가 종료됐을 때
• 0으로 나누는 연산이 발생했을 때

이런 상황에서 CPU는 현재 작업을 잠깐 멈추고,
더 중요한 작업(초인종 응대 등)을 처리한 뒤,
다시 돌아와 원래 작업을 계속합니다.

그 중심에 있는 것이 바로 인터럽트 시스템입니다.

4) 🏛️ 인터럽트의 구성 요소: 쿠키로 이해하는 컴퓨터 구조

컴퓨터 구성 요소	쿠키 비유
프로그램	쿠키 레시피
CPU	요리사
메모리	재료 창고
인터럽트 신호	초인종 벨
인터럽트 핸들러	문 열고 응대하는 행동

요즘 쓰이는 프로세서 대부분은 인터럽트 시스템이 들어갑니다.

인터럽트 시스템은 적절한 신호가 들어오면 CPU 실행을 잠깐 중단시킬 수 있는 핀이나 전기 연결을 포함한다. 핀pin은 칩에 연결된 전기적 접점을 뜻하는 말이다.

칩에는 핀처럼 보이는 부품이 있는 경우가 많았지만, 장치 크기가 줄어듦에 따라 다른 방식도 쓰이기 시작했다. 많은 프로세서 칩(특히 마이크로컴퓨터)에는 통합 주변장치가 들어 있고(이런 장치를 온칩on-chip I/O 장치라고도 한다),

이런 장치들은 내부적으로 인터럽트 시스템에 연결되어 있다.

5) ⚙️ 인터럽트의 작동 흐름

자, 인터럽트가 어떻게 작동하는지 실제 컴퓨터 관점에서 살펴볼까요?

1단계: 인터럽트 발생

• 키보드, 네트워크, 타이머 등에서 "지금 봐야 해!"라는 신호가 도착

2단계: 현재 CPU 상태 저장 - 직압 장ㄹ;

• CPU는 지금 진행하던 작업을 잠깐 멈추고
• 프로그램 카운터(PC) 값과 레지스터 상태를 스택에 저장함
• PC(Program Counter)
• 레지스터 값
• 실행 중인 코드의 정보 (→ PCB 또는 스택에 저장)

3단계: 인터럽트 핸들러 실행

• 미리 정해진 인터럽트 벡터를 따라
• 해당 인터럽트 핸들러 함수로 점프
• 핸들러가 그 상황을 처리

4단계: 원래 작업 복귀

• 스택에 저장해둔 PC와 레지스터 정보 복구
• 중단한 지점부터 다시 프로그램 실행 재개!

✅ 즉, 인터럽트는 함수 호출과 유사하지만, 외부 이벤트가 발생해야 작동해요.

6) 🧰 인터럽트의 내부 구성: 어떤 구조로 되어 있나?

🔸 인터럽트 벡터 테이블 (Interrupt Vector Table, IVT)

• 인터럽트가 발생하면, CPU는 어디로 점프할지 알아야 하죠?
• 각 인터럽트에 해당하는 핸들러 주소가 저장된 테이블입니다.
• 0x0000~0x00FF 같은 고정된 메모리 주소에 위치하는 경우가 많아요.

인터럽트 번호	의미	핸들러 주소
0	나눗셈 오류	0x0010
1	키보드 입력	0x0020
2	타이머 알림	0x0030
3	외부 장치 신호	0x0040

인터럽트 구성 요소

구성 요소	설명
인터럽트 라인	하드웨어 신호선 (CPU로 요청 전달)
인터럽트 벡터	인터럽트 종류별 처리 루틴의 주소 테이블
인터럽트 핸들러	실제 인터럽트를 처리하는 함수
PCB / 스택	작업 상태 저장소 (복귀를 위해 필수!)

7) 📦 인터럽트는 스택을 활용한다

인터럽트도 결국은 일종의 함수 호출입니다.
그래서 컴퓨터는 인터럽트를 처리할 때 현재 상태를 스택에 저장합니다.

• PC 값 (어디까지 실행했는지)
• 주요 레지스터 (중간 계산값들)
• 인터럽트 핸들러에서 사용하는 지역 변수

이 모든 걸 저장한 뒤, 작업이 끝나면 스택에서 pop해서 원래대로 돌아옵니다.

📌 그래서 스택이 없다면 함수 호출도, 인터럽트도 제대로 작동할 수 없어요!

8) ⏱️ 인터럽트의 핵심 이슈 – 응답 시간과 복귀

1. 반응 시간 (Response Time)

• 인터럽트가 발생했을 때, 얼마나 빨리 반응할 수 있느냐?
• 너무 느리면? → 쿠키는 타버리고, 데이터는 사라져요.

2. 상태 복귀 (State Restoration)

• 인터럽트가 끝난 뒤, 원래 프로그램이 정확히 이어서 돌아가야 해요.
• 실행 중인 레지스터 값, 프로그램 흐름 등 모든 걸 복구해야 함

9) 🔀 인터럽트에도 우선순위가 있다

모든 인터럽트가 동등하게 중요한 건 아니에요.

예를 들어,

• 초인종보다 화재 경보기가 더 중요하겠죠?

그래서 컴퓨터는 각 인터럽트에 대해 우선순위(priority)를 설정합니다.

• 우선순위가 더 높은 인터럽트가 발생하면, 낮은 인터럽트 핸들러도 중단되고 새로운 핸들러로 진입할 수 있어요. (Nested Interrupts)

10) 🛡️ 인터럽트를 잠시 막는 기술 – 마스킹(Masking)

일부 상황에서는 인터럽트를 아예 무시하거나 차단할 필요도 있어요.

• 예: 데이터를 복사하는 아주 민감한 시점엔 방해받고 싶지 않음
• 이럴 때는 인터럽트 마스크를 설정해 특정 인터럽트를 비활성화할 수 있어요.

"지금 바쁘니 초인종 소리 무시해주세요" – 이 느낌입니다.

11) 🔥 예외 처리도 인터럽트다?

인터럽트는 꼭 외부에서만 발생하지 않아요. 컴퓨터 내부에서도 예외(Exception)라는 형태로 발생할 수 있어요.

예외 상황	설명
0으로 나누기	수학적 오류
메모리 초과	스택 오버플로
접근 금지	보호된 영역 침범

이때도 인터럽트 벡터를 따라 예외 핸들러로 점프하여 문제를 처리합니다.
예외 상황에 대한 복구, 로깅, 사용자 메시지 출력 등이 이때 실행되죠.

12) 🎛️ 인터럽트를 만드는 주체들

인터럽트는 다음과 같은 장치나 요소들에 의해 생성될 수 있어요.

발생 주체	예시
하드웨어	키보드, 마우스, 네트워크, 타이머
소프트웨어	시스템 콜, 유닉스 시그널, 소프트웨어 인터럽트
내부 이벤트	예외, 디버깅, 불법 명령 실행 등

13) 🧵 운영체제와 인터럽트: 멀티태스킹의 기반

운영체제는 인터럽트를 멀티태스킹의 기반으로 사용해요.

• 일정 시간마다 타이머 인터럽트가 발생하면
• 현재 실행 중인 프로그램을 중단
• 문맥 교환(Context Switch)를 수행
• 다음 프로그램으로 전환!

즉, 여러분이 윈도우에서 크롬과 카카오톡을 동시에 실행할 수 있는 건 인터럽트 시스템 덕분이에요.

14) 📱 현실의 예시 – 인터럽트는 여기저기서 쓰인다

• 📷 카메라 앱: 버튼 누르자마자 반응
• 🧠 IoT 기기: 센서 값 변화 즉시 처리
• 🕹️ 게임: 키 입력이나 충돌 이벤트 감지
• 🖥️ 서버: 클라이언트 요청 도착 시 즉시 대응

⚙️ 15) 인터럽트의 종류

✅ 하드웨어 인터럽트

• 외부 장치(키보드, 마우스, 타이머, 네트워크 등)가 요청
• CPU가 외부의 신호에 반응

✅ 소프트웨어 인터럽트 (Trap)

• 프로그램 내부에서 발생
  • 예외(Exception): 0으로 나누기, 잘못된 메모리 접근 등
  • 시스템 콜(System Call): 사용자 → OS 요청

📌 Trap도 인터럽트다! 단지 “소프트웨어가 발생”시켰다는 점만 다름.

출처 : https://velog.io/@woo00oo/%EC%9D%B8%ED%84%B0%EB%9F%BD%ED%8A%B8Interrupt

🛡️ 사용자 모드 vs 시스템 모드 – 누구에게 권한이 있을까?

✅ 사용자에게 주는 ‘환상’과 그 이면의 시스템 보호

1) 운영체제는 착각을 심어준다?

멀티태스킹 시스템에서 여러 프로그램이 동시에 실행되고 있어도,

각 프로그램은 ‘내가 유일하게 실행 중인 프로그램’이라고 착각합니다.

이건 MMU(메모리 관리 장치) 덕분이에요.

• MMU는 각 프로세스마다 독립적인 가상 주소 공간을 만들어줘요.
• 덕분에 프로세스들은 서로의 메모리에 접근할 수 없고, 마치 자신만 컴퓨터를 쓰는 것처럼 보이죠.

2) 그런데, I/O 장치가 끼면 문제가 생긴다?

맞아요.
타이머나 디스크 같은 I/O 장치는 시스템 전체에 영향을 주는 하드웨어라서 함부로 건드리면 곤란해져요.

예를 들어:

• 운영체제는 타이머 인터럽트를 이용해 프로세스를 주기적으로 전환해요.
• 그런데 어떤 사용자 프로그램이 타이머를 “1시간에 한 번만 인터럽트해줘~”라고 바꿔버리면?
  • 😱 → 다른 프로그램은 영원히 실행되지 못할 수도 있어요.

3) 그래서 운영체제는 ‘특권 계층’을 둡니다

CPU는 두 가지 모드를 구분해요:

모드	설명
🧍‍♂️ 사용자 모드(User Mode)	일반 앱이나 사용자 코드가 실행되는 공간
🛡️ 시스템 모드(System/Kernal Mode)	운영체제 커널, I/O, MMU 설정 등 중요한 코드가 실행되는 공간

일반 프로그램은 사용자 모드에서만 실행돼요.
중요한 명령어(예: I/O 제어, MMU 설정 등)는 “특권 명령어(Privileged Instructions)”라서
👉 시스템 모드에서만 실행이 가능해요!

👉 CPU의 모드 전환(User Mode ↔ System Mode), 그리고 특권 명령어 실행 여부 판단은 모두 운영체제 커널(Kernel)이 주도적으로 관리하고 통제

리눅스 커널 정리

4) 사용자 → 운영체제와 대화하는 방법은?

사용자 프로그램이 시스템 기능이 필요할 때는 직접 실행 못 해요.
대신 다음 중 하나를 사용해요:

• 트랩(trap) : 예외 상황이나 오류 발생 시, 자동으로 OS에 제어권을 넘김
• 시스템 콜(system call) : 사용자 프로그램이 명시적으로 운영체제에게 요청하는 메커니즘

예: read(), write(), fork() 등이 모두 시스템 콜!

5) 이 구조의 장점은?

1. ✅ 운영체제를 보호: 일반 프로그램이 시스템 자원을 함부로 만지지 못함
2. ✅ 프로세스 간 보호: 사용자 프로그램이 서로의 메모리나 자원을 침범할 수 없음
3. ✅ 운영체제 자원 제어: 자원 할당을 운영체제가 전적으로 통제 가능

6) 동작 간단하게

✅ 사용자 모드 → 시스템 모드 전환 흐름도 설명

이 그림은 사용자 모드(User Mode)에서 실행 중인 프로그램이 어떻게 운영체제 커널이 실행되는 시스템 모드(System Mode)로 전환되는지를 보여주는 흐름도예요.

🔄 전체 흐름 요약

1. 사용자 프로그램 실행 중

   • 이때 CPU는 사용자 모드(User Mode)로 설정됨
   • read(), write() 같은 시스템 콜은 직접 실행할 수 없음

2. 시스템 콜 요청

   • 사용자 프로그램이 시스템 리소스를 요청하면, int 0x80 같은 시스템 콜 인터럽트 발생
   • 이 순간 트랩(trap)이 발생하면서 CPU는 모드를 전환

3. Mode Bit가 0 → 1로 전환

   • Mode Bit는 CPU 내부의 한 비트로, 현재 CPU가 User Mode(0)인지, System Mode(1)인지 나타냄
   • 이 비트를 바꾸는 건 오직 운영체제(커널 코드)만 가능

4. 커널 모드로 진입 (System Mode)

   • 이제 커널이 제어권을 잡고, I/O 명령이나 메모리 할당 같은 특권 명령어(Privileged Instructions)를 안전하게 수행
   • 일반 프로그램은 이 명령어를 직접 실행할 수 없음

5. 작업 완료 후 사용자 모드 복귀

   • 작업이 끝나면 CPU의 Mode Bit를 다시 0(사용자 모드)로 바꾸고, 사용자 프로그램으로 돌아감

🧠 주요 개념 요약

개념	설명
🟦 Mode Bit	CPU 안의 한 비트로, 현재 모드가 사용자(0)인지 시스템(1)인지 나타냄
🛑 트랩(Trap)	예외 상황이나 시스템 콜 시 커널로 제어권이 넘어가는 동작
🧭 시스템 콜(System Call)	사용자 프로그램이 OS 기능을 요청하는 인터페이스 (ex. 파일 읽기)
🛡️ 특권 명령어(Privileged Instructions)	MMU 설정, I/O 제어 등 시스템 모드에서만 실행 가능한 명령어

운영체제는 Mode Bit와 Trap 메커니즘을 활용해 사용자 프로그램과 커널 기능을 확실하게 격리하고 보호합니다.

💡 한 마디로 정리하면?

“운영체제는 사용자에게 착각을 심어주는 동시에, 철저한 보호 장치를 두어 시스템을 지킨다.”

📱 그래서 우리 프로그램은 어디서 실행되나요?

• 여러분이 만드는 앱, 웹 브라우저, 게임 등은 모두 사용자 공간(user space)에서 실행됩니다.
• 운영체제 커널은 시스템 공간(kernel space)에서 실행되며, 일반 사용자가 직접 접근할 수 없어요.

시스템 공간을 다룰 수 있는 사람은 ‘커널 해커’ 같은 아주 숙련된 프로그래머입니다.

"이건 마치 은행 창구에서 직접 금고를 만지지 못하고, 요청서를 써서 창구 직원에게 전달하는 것과 비슷합니다."

“CPU 모드를 관리하는 건 하드웨어지만, 그 모드를 전환하고 제어하는 건 오직 운영체제 커널만 할 수 있다.”