[컴퓨터구조] CPU - 인터럽트

인터럽트 

인터럽트(interrupt)는 '방해하다, 중단시키다'라는 의미이다. CPU가 수행 중인 작업은 방해를 받아 잠시 중단될 수 있는데, 이렇게 CPU의 작업을 방해하는 신호를 인터럽트라고 한다.

 

인터럽트의 종류는 크게 동기 인터럽트와 비동기 인터럽트로 나뉜다. 

• 동기 인터럽트 : CPU에 의해 발생하는 인터럽트이다. CPU가 프로그래밍 오류와 같은 예외적인 상황(예상치 못한 상황)을 마주쳤을 때 발생하는 인터럽트이다. 이런 관점에서 동기 인터럽트는 예외라고 불린다.
• 비동기 인터럽트 : 주로 입출력 장치에 의해 발생한다. 세탁기 알람, 전자레인지 조리 완료 등의 알림과 같은 역할을 수행한다. 
  일반적으로 비동기 인터럽트를 인터럽트라 지칭하며, 해당 글에선 혼란을 방지하기 위해 하드웨어 인터럽트를 사용한다.

 

하드웨어 인터럽트(비동기 인터럽트)

알림과 같은 역할을 하는 인터럽트로, CPU가 효율적인 명령어를 처리하기 위해 사용한다. 

CPU가 프린터에 프린트 명령을 가정해보자. 

일반적으로 입출력장치는 CPU 처리속도를 따라가지 못한다.  그래서 CPU는 입출력의 결과를 바로 받아 볼 순 없다. 만약 하드웨어 인터럽트를 사용하지 않는다고 하면 CPU는 프린터가 언제 끝나는지 주기적으로 확인해야 한다. (끝날 때까지 무작정 기다리는 상황)

하드웨어 인터럽트를 사용하면 CPU가 마냥 기다릴 필요없이 온전히 다른 작업을 처리할 수 있게 된다. 이렇게 되면 CPU가 확인 여부를 지속적으로 체크하지 않으니 CPU 사이클 낭비를 최소화하고, CPU가 다른 작업을 수행할 수 있는 시간을 벌어 줌으로써 효율적으로 명령어 처리가 가능해진다.

 

CPU가 하드웨어 인터럽트를 처리하는 순서

1.  입력출 장치는 CPU에게 인터럽트 요청 신호를 보냅니다. 
2.  CPU는 실행 사이클이 끝나고 명령어를 인출하기 전에 항상 인터럽트 여부를 확인한다.
3.  CPU는 인터럽트 요청을 확인하고, 인터럽트 플래그를 통해 현재 인터럽트를 받아들일 수 있는지 여부를 확인합니다.
4.  인터럽트를 받아들인 수 있다면, CPU가 지금까지의 작업을 백업한다. 
5.  CPU는 인터럽트 벡터를 참조하여 인터럽트 서비스 루틴을 실행한다.
6.  인터럽트 서비스 루틴 실행이 끝나면, 4번에서 백업해 둔 작업을 복구하려 실행을 재개한다. 

 

인터럽트 요청신호, 인터럽트 플래그, 인터럽트 벡터, 인터럽트 서비스 루틴 

위에 순서를 보면 해당 용어를 알아야지만 이해가 가능하다. 

 

인터럽트는 CPU의 정상흐름을 끊는거기 때문에 인터럽트를 실행하기 전에 CPU에게 가능여부를 확인해야 한다. 이를 위한 신호가 인터럽트 요청 신호이다.

 

이때 CPU가 해당 요청을 수용하기 위해 플래그 레지스터에서 인터럽트 플래그가 활성화되어 있는지 확인해야 한다. 인터럽트 플래그는 하드웨어 인터럽트를 받아들일지, 무시할지 결정한다. 만약 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있다면 CPU는 인터럽트 요청이 오더라도 무시한다. 

모든 하드웨어 인터럽트를 인터럽트 플래그로 막을 수 없다. 인터럽트 플래그가 불가능으로 설정되어 있더라도 무시할 수 없는 인터럽트 요청이 있을 수 있다. 

무시할 수 없는 요청은 우선순위가 가장 높다. 그렇기 때문에 가장 먼저 처리되야 하고 정전이나 하드웨어 고장으로 인한 인터럽트가 이에 해당한다.

즉, 하드웨어 인터럽트에는 인터럽트 플래그로 막을 수 있는 인터럽트와 막을 수 없는 인터럽트가 있다.

 

 

CPU가 인터럽트 요청을 받아드리기로 했다면, CPU는 인터럽트 서비스 루틴이라는 프로그램을 실행한다. 인터럽트 서비스 루틴은 인터럽트를 처리하기 위한 프로그램이다. 어떤 인터럽트가 발생했을 때 해당 인터럽트를 어떻게 처리하고 작동해야 할지에 대한 정보로 이루어져 있다. (인터럽트가 발생하면 어떻게 행동해야 할지를 알려주는 프로그램)

 

그러므로 CPU가 인터럽트를 처리한다는 것은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 말과 같다.

 

이런 서비스루틴은 각 입출력장치마다 가지고 있으며, 메모리에 저장되어 있다.  그렇다면 CPU는 각가 다른 인터럽트에서 올바른 서시브루틴을 호출해야 한다.  서비스 루틴을 구분하기 위해 사용되는 것이 인터럽트 벡터이다. 

인터럽트 벡터는 서비스 루틴을 식별하기 위한 정보이며, 하드웨어 인터럽트 요청을 보낸 대상으로부터 인터럽트 벡터를 전달받는다. 인터럽트 벡터는 서비스 루틴의 시작 주소를 포함하고 있기 때문에 특정 인터럽트 서비스 루틴 실행이 가능하게 된다. 

 

정리하자면

CPU가 인터럽트를 처리한다는 것은 인터럽트 서비스 루틴을 실행하고, 본래 수행하던 작업으로 다시 되돌아온다는 말과 같다. 그리고 CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 실행하려면 인터럽트 서비스 루틴의 시작 주소를 알아야 하며, 이는 인터럽트 벡터를 통해 알 수 있다.

그 외로 인터럽트 요청을 받아들이면 현재 작업을 중단하고 백업하는 과정이 필요한데, 이는 메모리 내 스택에 백업하며, 인터럽트가 정상적으로 처리되며 다시 해당 스택을 불러온 뒤 이전까지 수행하던 작업을 재개하게 된다.

 

예외(동기 인터럽트)

예외의 종류는 폴트, 트랩, 중단, 소프트웨어 인터럽트 등이 있다.  CPU는 예외가 발생하게 되면 하던 일을 중단하고 해당 예외를 처리한다. 그리고 예외를 처리하고 다시 본래 한턴 작업을 되돌아와 실행한다. 

 

여기서 CPU가 본래하던 작업으로 되돌아올 때 예외가 발생한 명령어부터 실행하느냐, 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행하냐에 따라 폴트와 트랩으로 나눌 수 있다.

 

폴트는 예외를 처리한 직후에 예외가 발생한 명령어부터 실행을 재개한다. 예시론 특정 명령어를 실행할려고 할 때, 실행을 위한 데이터가 메모리가 아닌 보조기억장치에 있다고 가정해 보면 CPU는 폴트를 발생시키고, 보조기억장치로부터 필요한 데이터를 메모리로 가져와 저장하게 된다. 이런 다음 CPU는 폴트가 발생한 그 명령어부터 실행해간다.

 

트랩은 예외를 처리한 직후에 예외가 발생한 명령어의 다음 명령어부터 실행을 재개한다. 대표적으로 프로그래밍의 디버깅 브레이크 포인트를 꼽을 수 있다. 디버깅할 때 브레이크 포인트를 지정하면 특정 코드가 실행되는 순간 프로그램을 멈추게 할 수 있다. 디버깅이 끝나면 트랩이 발생한 그다음 명령어부터 실행해 간다.

 

중단은 CPU가 실행 중인 프로그램을 강제로 중단시킬 수밖에 없는 심각한 오류를 발견했을 때 발생하는 예외이다. 그 밖에 소프트웨어 인터럽트는 시스템 콜이 발생할 때 발생하는 예외로 시스템 콜때 자세히 설명하겠다.