3. 인터럽트 (Interrupt)

개요

그동안 학교에서 배웠던 내용 + 전공책을 뒤져가며 공부했던 내용 + 취준 하면서 복습했던 내용들을 정리하는 목적으로 작성하였습니다.

 

1. 인터럽트(Interrupt) 란?

Interrupt는 프로그램 실행 중에 CPU의 현재 처리 순서를 중단하고, 다른 동작을 수행하도록 요구하는 것이라고 볼 수 있다. 즉, Interrupt가 발생하면 운영체제는 CPU에게 그동안 하고 있는 일들을 멈추고, Interrupt를 해결하도록 한다.

 

Interrupt가 발생하게 되면, ISR (Interrupt Service Routines)이라는 것이 실행되는데, 이를 인터럽트 핸들러(Interrupt Handler)라고도 한다

 

그렇다면 Interrupt는 어떤 때에 발생하는 것일까? Interrupt는 예외상황에 대한 처리가 필요한 상황에 발생한다. 예외상황에 따라 Interrup는 크게 (1) 외부 Interrupt, (2) 내부 Interrupt, (3) SW Interrupt로 나눌 수 있다.

 

 

1. 외부 Interrupt

외부 Interrupt는 CPU 코어 외부 요인으로 발생하는 것을 말하는데, 전기적인 신호로 CPU에게 Interrupt를 거는 경우로 (1) 전원 이상 Interrupt, (2) I/O Interrupt, (3) 타이머 Interrupt 같은 것들이 있다.

1. 전원 이상 Interrupt의 경우,
   • 갑자기 전원 공급이 중단되는 경우 CPU에 Interrupt를 걸어 작업 중이던 프로세스를 대피시킬 수 있도록 한다.
2. I/O Interrupt의 경우,
   • CPU가 I/O 장치 (키보드, 마우스, 프린터 등) 에게 일을 맡기거나, I/O 장치가 CPU에게 정보를 전달해 줄 때 호출된다.
3. 타이머 Interrupt의 경우,
   • 컴퓨터 내부의 타이머가 CPU에 주기적으로 expired 되었다고 알림을 주는데, 이것이 Interrupt이다. 따라서 하나의 프로그램이 CPU 자원을 너무 오랫동안 점유하지 못하도록 한다. 또한 무한루프가 도는 프로그램도 이 덕분에 종료되고 Context Switch가 발생할 수 있다.
   • (참고) 타이머 Interrupt는 100hz로 인터럽트를 건다. 즉, 10ms 마다 interrupt가 걸린다.

 

 

2. 내부 Interrupt

내부 Interrupt는 CPU 코어 내부에서 프로그램이 실행되면서 Interrupt에 걸리는 경우로 프로그램 검사 인터럽트(Program check interrupt)이다. Exception Interrupt, 혹은 Trap이라고 부른다.  

• Exception Interrupt (Trap) 
  • Division by zero
  • Overflow/Underflow
  • 기타 프로그램 Exception

Exception이라는 것은, 결국 예외상황에 대한 의미로, 소프트웨어 내부에서 예외상황을 처리하는 것을 두고 소프트웨어 Interrupt를 Exception으로 보는 경우도 있다. 

 

Trap의 의미는, 특별한 조건을 걸어두고 조건에 부합하는 경우 상황에 맞는 Service Routine이나 Handler 가 실행되도록 하는 것을 의미한다. 따라서 이 경우에는 ISR (Interrupt Service Routines) 혹은 인터럽트 핸들러(Interrupt Handler)가 되겠다.

 

Exception과 Trap 은 프로그래밍 전반적으로도 사용되는 용어이니, 결국은 단어를 어떻게 해석하느냐의 차이인 것 같다. 결국 너무 단어에 매몰되지 말고, 개념을 잘 익히는 것이 중요하다.

 

 

3. 소프트웨어 Interrupt

소프트웨어 Interrupt는 프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해서 발생하는 경우로 SVC (SuperVisor Call) 이 있다.

• SVC (SuperVisor Call)

일반적인 응용 프로그램은 User Mode에서 실행이 되는데, 이 경우 직접 접근할 수 있는 자원에 제한이 있다. 예를 들어 어떤 프로그램이 컴퓨터에 대한 통제권을 갖는 코드를 갖고 있다고 할 때, 이런 것이 허락도 없이 수행될 수는 없는 것이다. 즉, 이러한 자원에 접근하는 명령어는 Supervisor 만 실행할 수 있어야 하고, 이것이 즉, Kernel Mode가 되는 것이다. 즉, 응용프로그램은 SuperVisor Call을 통해 허락을 맡은 후 Supervisor Mode (=Kernel Mode)로 변경하고, 해당 명령을 실행 후, 다시 User Mode로 변경하는 과정을 거치게 된다.

 

운영체제가 제공하는 서비스에 대한 프로그래밍 인터페이스가 System Call이고, System Call을 실행시키기 위한 CPU 명령어가 SVC이다.

 

 

 

2. 인터럽트 처리 과정

요청 → 중단 → 보관 → 인터럽트 처리 → 재개

1. 인터럽트 요청
2. 프로그램 실행 중단
   • 현재 실행 중이던 Micro Operation까지 수행
3. 현재 실행 중인 프로그램 상태 보관
   • PCB(Process Control Block), PC(Program Counter) 저장
4. 인터럽트 원인 판별
   • 인터럽트를 요청한 장치를 식별 → 인터럽트의 원인을 파악 
   • Interrupt Vector 테이블을 참조하여 호출할 ISR (인터럽트 서비스 루틴)  주소 값을 얻음
5. ISR (인터럽트 서비스 루틴) 처리
   • 실질적인 인터럽트 처리 작업을 한다.
   • 서비스 루틴 수행 중, 우선순위가 더 높은 인터럽트가 발생하면 재귀적으로 1~5 과정 수행한다
   • 인터럽트 서비스 루틴을 실행할 때 인터럽트 플래그(IF)를 0으로 하면 인터럽트 발생을 방지할 수 있다.
6. 상태 복구
   • 상태 복구 명령어가 실행되면, 저장해둔 PC(Program counter)를 다시 복원하여 이전 실행 위치로 복원한다.
7. 중단된 프로그램 실행 재개
   • PCB의 값을 이용하여 이전에 수행 중이던 프로그램을 재개한다.

 

 

3. Interrupt 관련 예시

(질문) 구글 검색창을 클릭 후 빈칸에 커서가 깜빡이고 있다. 이때 hello world를 작성하면 컴퓨터 내부에서 어떤 일이 발생하는가?

• 사용자 입력 → 외부 Interrupt 중 I/O Interrupt 발생 → CPU 인지 → CPU 작업 중이던 상태 저장 → 해당 인터럽트 처리 → 상태 복구 및 중단되었던 작업 재개

 

 

질문

인터럽트와 시스템 콜의 차이에 대해서 설명하세요.

Interrupt

• Interrupt는 프로그램 실행 중에 CPU의 현재 처리 순서를 중단하고, 다른 동작을 수행하도록 요구하는 것이라고 볼 수 있다.
• 즉, Interrupt가 발생하면 운영체제는 CPU에게 그동안 하고 있는 일들을 멈추고, Interrupt를 해결하도록 한다.

System Call

• 운영체제가 제공하는 서비스에 대한 프로그래밍 인터페이스가 System Call이고, System Call을 실행시키기 위한 CPU 명령어가 SVC이다.

 

 

Reference.

[인터럽트] https://jhnyang.tistory.com/167

[인터럽트] https://hibee.tistory.com/264

[SVC vs System Call] https://www.techopedia.com/definition/25808/supervisor-call