인터럽트
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1. 인터럽트란?
- CPU가 특정 기능을 수행하는 도중에 다른 작업의 요청이 들어오거나 시스템에서 예외요청이 발생했을 때 해당 일을 처리하고자 할 때 사용할 수 있는 기능이다.
2. 하드웨어 인터럽트
2.1) 하드웨어 인터럽트
디바이스 혹은 장치컨트롤러에 의해서 발생되는 인터럽트를 말하며, 하드웨어가 CPU에게 어떤 이벤트를 발생시키거나 CPU의 서비스요청을 할때 인터럽트를 발생 시킬 수 있다.
- 입출력 인터럽트 : 입출력 장치에서 입출력 준비가 완료되었을때 CPU에게 인터럽트 발생
- 타이머 인터럽트 : 일정 주기로 인터럽트가 필요할 때 발생되는 인터럽트
- 기계검사 인터럽트 : 프로그램 내에서 기계적인 문제가 발생하거나 정전 이상으로 발생된 인터럽트
2.2) 하드웨어 인터럽트 처리 과정
하드웨어는 인터럽트를 요청할 때 요청 라인 회선(IRQ)을 통해서 인터럽트를 요청하게 된다. IRQ에는 고유의 숫자가 있어 CPU는 IRQ 숫자를 식별하여 어떤 하드웨어가 인터럽트를 요청한지 빠르게 식별할 수 있다.
IRQ 숫자를 색인된 데이터가 저장되어 있는 곳을 인터럽트 백터 테이블이라고 하는데, CPU는 인터럽트 요청이 들어오면 인터럽트 백터 테이블에서 색인된 데이터를 찾는다. 데이터 내용에는 특정 인터럽트 요청에 대한 서비스를 처리하는 인터럽트 핸들러 루틴(서비스루틴)에 대한 참조값이 저장되어있고, 참조값을 호출하여 인터럽트 서비스를 처리한다.
[간단한 도식도]
1I/O 컨트롤러 CPU OS 영역 2 3 +--------+ IRQ 4 |keyboard|-----------------------+ +----------------------+ 5 +--------+ | +---> | 키보드 인터럽트 핸들러 루틴 | 6 v | +----------------------+7 +-----+ IRQ +-----+ | +----------------------+8 |mouse| --------------------> | CPU |---+---> | 마우스 인터럽트 핸들러 루틴 |9 +-----+ +-----+ | +----------------------+ 10 ^ | +----------------------+ 11 +-----+ IRQ | +---> | USB 인터럽트 핸들러 루틴 | 12 | USB | -------------------------+ +----------------------+ 13 +-----+[상세 입출력 사이클]
장치컨트롤러가 인터럽트 요청라인(IRQ)에 신호를 보내 인터럽트를 발생시키고,
CPU는 인터럽트를 포착하여 인터럽트 핸들러로 디스패치하고 핸들러는 장치를 서비스하여 인터럽트를 지운다
2.3) 하드웨어 인터럽트 특징
하드웨어 인터럽트의 경우 비동기 이벤트로 동작된다. 현재 CPU가 실행하고 있는 명령어와는 상관없이 외부 디바이스에서 발생된 인터럽트이기 때문에 비동기 이벤트로 발생된다. 또한, 동시에 인터럽트가 발생 하였을 때 우선순위에 따라 인터럽트 요청을 처리할 수 가 있다. 우선순위가 높은 인터럽트의 실행을 선점하여 순차적으로 인터럽트들을 처리하게 된다.
3. 소프트웨어 인터럽트
하드웨어 인터럽트가 CPU 외부에서 발생되는 인터럽트라면, 소프트웨어 인터럽트는 CPU 내부(사용자 프로그램)에서 발생되는 인터럽트이다.
프로그램적으로 발생하는 오류(Over/Under Flow, 0으로 나누기)
시스템콜을 통한 인터럽트 발생
3.1) 시스템콜 사용 이유
사용자 프로그램이 운영체제의 모든 데이터 혹은 하드웨어 자원에 접근 후에 수정이나 삭제할 경우 운영체제에 문제가 발생될 수 있다. 직접 접근하는 방법을 막고자 운영체제가 일종의 인터페이스인 시스템콜을 제공하여, 사용자 프로그램은 시스템콜을 이용하여 파일읽기나 파일쓰기를 요청할 수가 있다. 이러한 이유때문에 시스템 콜을 사용하여 커널모드에서 인터럽트를 대신 요청하게 해준다.[시스템 콜을 사용한 인터럽트]
1+-------------+ +-----------+ +-----------+2 유저 영역 | 사용자 프로세스 | ----> | 시스템콜 호출 | | 시스템콜 복귀| 3 +-------------+ +-----------+ +-----------+ 4---------------------------------------|--------------------------|----- 5 | |6 커널 영역 +-------------+ +--------------------+7 | 시스템 콜 실행 | ----> | 인터럽트 핸들러 루틴 완료|8 +-------------+ +--------------------+4. 인터럽트 우선순위
인터럽트는 우선순위에 따라 인터럽트를 지연시킬수 있고 선점할 수 있다.
1) 정전 발생 인터럽트 : 정전되면 전원이 차단되게 되어 가장 0순위
2) 기계 고장 인터럽트 : 컴퓨터의 하드웨어 고장으로 발생되는 인터럽트
3) 외부 신호 인터럽트 : 외부 장치에서 발생되는 인터럽트(하드웨어 인터럽트)
4) 프로그램 인터럽트 : Over/Under플로우 혹은 분모 0으로 발생되는 인터럽트
5) SVC 인터럽트 : 제어프로그램 호출 시 발생되는 인터럽트
5. 정리 및 회고
외부 장치 및 소프트웨어 프로그램에 의해서 인터럽트가 발생하며, 우선순위에 따라 긴급한 인터럽트 요청을 먼저 처리한다. 인터럽트 요청을 수신하고, 처리하고, 복귀하는 일은 cpu 유휴시간때 발생된다. 이런 유휴시간을 최소화(?)할려면 효율적인 인터럽트 처리가 시스템 성능을 좋게 할 수도 있다.
잘 모르는 부분을 공부할 때는 하나의 참고자료 기준으로 정리하는게 좋은 것 같다. 인터럽트와 관련된 내용을 인터넷에 찾아보면서, 파편화된 내용들이많아 어떤 부분이 맞는 내용인지 쉽게 머리속에 들어오지 않아 정리 하기가 어려웠다.
컨택스트 스위칭시에 CPU가 유휴상태에 프로세스의 상태정보를 저장하는 정도로만 생각했는데, 이번에 인터럽트를 공부하면서 유휴 상태일때 인터럽트와 관련된 작업처리 하는것을 알게 되었다.
CS는 한번에 이해하기가 너무 어렵다
[참고]