[OS] 컴퓨터 시스템의 구성: 인터럽트(Interrupts)

학습할 교재

 

 

인터럽트(Interrupts)

 

통상적인 PC 컴퓨터 시스템

현대의 범용 컴퓨터 시스템은 위의 그림과 같이 하나 이상의 CPU와 구성요소 그리고 공유 메모리 사이의 액세스를 제공하는 공통 버스를 통해 연결된 여러 장치 컨트롤러로 구성됩니다. 각 장치 컨트롤러는 특정 유형의 장치(디스크 드라이브, 오디오 장치 또는 그래픽 디스플레이 등)를 담당합니다. 컨트롤러에 따라 둘 이상의 장치가 연결될 수도 있습니다. 장치 컨트롤러는 일부 로컬 버퍼 저장소와 특수 목적 레지스터 집합을 유지 및 관리하며 장치 컨트롤러는 제어하는 주변 장치와 로컬 버퍼 저장소 간에 데이터를 이동합니다.

 일반적으로 운영체제에는 각 장치 컨트롤러마다 장치 드라이버가 있습니다. 이 장치 드라이버는 장치 컨트롤러의 작동을 잘 알고 있고 나머지 운영체제에 장치에 대한 일관된 인터페이스를 제공합니다. CPU와 장치 컨트롤러는 병렬로 실행되어 메모리 사이클을 놓고 경쟁하며, 공유 메모리를 질서 있게 액세스 하기 위해 메모리 컨트롤러는 메모리에 대한 액세스를 동기화시킵니다.

이제 시스템의 세 가지 주요 측면에 중점을 두어 이러한 시스템의 작동방식의 기본 사항에 관해 정리하겠습니다. 먼저 CPU의 조치가 필요한 이벤트에 대해 경고하는 인터럽트부터 살펴보고, 그다음 저장장치 구조 및 입출력 구조에 관해 정리하겠습니다.

(1) 인터럽트(Interrupts) 정의 및 개요(Ovewview) 

일반적인 컴퓨터 작업(입출력을 수행하는 프로그램)을 고려해봅시다. 입출력 작업을 시작하기 위해 장치 드라이버는 장치 컨트롤러의 적절한 레지스터에 값을 적재합니다. 그런 다음 장치 컨트롤러는 이러한 레지스터의 내용을 검사하여 수행할 작업을(ex: 키보드에서 문자 읽기) 결정합니다. 컨트롤러는 장치에서 로컬 버퍼로 데이터 전송을 시작하며 데이터 전송이 완료되면 장치 컨트롤러는 장치 드라이버에게 작업이 완료되었음을 알립니다. 그런 다음 장치 드라이버는 읽기 요청이면 데이터 또는 데이터에 대한 포인터를 반환하며 운영체제의 다른 부분에 제어를 넘깁니다. 다른 작업의 경우 장치 드라이버는 "쓰기 완료" 또는 "장치 사용 중"과 같은 상태 정보를 반환합니다. 그리고 컨트롤러는 장치 드라이버에게 작업을 완료했다는 사실을 인터럽트를 통해 알리게 됩니다.

 하드웨어는 어느 순간이든 시스템 버스를 통해 CPU에 신호를 보내 인터럽트를 발생시킬 수 있습니다.(컴퓨터 시스템에는 많은 버스가 있을 수 있지만 시스템 버스는 주요 구성요소 사이의 주요 통신 경로입니다.) 인터럽트는 다른 많은 목적으로도 사용되며 운영체제와 하드웨어의 상호 작용 방식의 핵심 부분입니다.

 CPU가 인터럽트 되면, CPU는 하던 일을 중단하고 즉시 고정된 위치로 실행을 옮깁니다. 이러한 고정된 위치는 일반적으로 인터럽트를 위한 서비스 루틴이 위치한 시작 주소를 가지고 있으며, 그 후 인터럽트 서비스 루틴을 실행하게 됩니다. 인터럽트 서비스 루틴의 실행이 완료되면, CPU는 인터럽트 되었던 연산을 재개합니다. 이러한 연산의 시간 일정은 아래의 이미지와 같습니다.

출력을 수행하고 있는 단일 프로세스에 대한 인터럽트 시간 일정

 인터럽트는 컴퓨터 구조의 중요한 부분입니다. 각 컴퓨터 설계는 자신의 인터럽트 메커니즘을 가지고 있으며, 몇 가지 기능은 공통적입니다. 인터럽트는 적절한 서비스 루틴으로 제어를 전달하는데 이러한 전달을 관리하는 직선적인 방법은 인터럽트 정보를 조사하는 일반적인 루틴을 호출하는 방법입니다. 이 루틴은 이어 인터럽트 고유의 핸들러(handler)를 호출합니다. 그러나 인터럽트는 매우 빈번하게 발생하기 때문에 빠르게 처리되어야 합니다. 필요한 속도를 제공하기 위해 인터럽트 루틴에 대한 포인터들의 테이블을 대신 이용할 수 있습니다. 이 경우 주간 루틴을 둘 필요 없이, 테이블을 통하여 간접적으로 인터럽트 루틴이 호출될 수 있습니다. 일반적으로 포인터들의 테이블은 하위 메모리에 저장됩니다.(첫 100개 정도의 위치) 이들 위치에는 여러 장치에 대한 인터럽트 서비스 루틴의 주소가 들어있는데, 인터럽트가 요청되면 인터럽트를 유발한 장치를 위한 인터럽트 서비스 루틴의 주소를 제공하기 위해 이 주소의 배열, 즉 인터럽트 벡터가 인터럽트 요청과 함께 주어진 고유의 유일한 장치 번호로 색인됩니다. Windows나 UNIX 같은 서로 다른 운영체제가 이러한 방법으로 인터럽트를 처리합니다.

 인터럽트 구조는 또한 인터럽트 된 모든 정보를 저장해야 인터럽트를 처리한 후 이 정보를 복원할 수 있습니다. 만약 인터럽트 루틴이 처리기의 상태를 변경할 필요(예를 들어 레지스터의 값을 변경하여)가 있다면, 인터럽트 루틴은 반드시 명시적으로 현재의 상태를 저장하여야 하며, 복귀전에 상태를 복원해야 합니다. 인터럽트를 서비스한 후, 저장되어 있던 복귀 주소를 프로그램 카운터에 적재하고, 인터럽트에 의해 중단되었던 연산이 인터럽트가 발생되지 않았던 것처럼 다시 시작됩니다.

(2) 인터럽트(Interrupts) 구현

기본 인터럽트 메커니즘은 다음과 같이 작동합니다. CPU 하드웨어에는 인터럽트 요청 라인(interrupt request line)이라는 선이 있는데, 이는 하나의 명령어의 실행을 완료할 때마다 CPU가 이 선을 감지합니다. CPU가 컨트롤러가 인터럽트 요청 라인에 신호를 보낸 것을 감지하면, 인터럽트 번호를 읽고 이 번호를 인터럽트 벡터의 인덱스로 사용하여 인터럽트 핸들러 루틴(interrupt-handler routine)으로 점프합니다. 그런 다음 해당 인덱스와 관련된 주소에서 실행을 시작합니다. 인터럽트 처리기는 작업 중에 변경될 상태를 저장하고, 인터럽트 원인을 확인하고, 필요한 처리를 수행하고, 상태 복원을 수행하고, return_from_interrupt 명령어를 실행하여 CPU를 인터럽트 전 실행 상태로 되돌립니다.. 장치 컨트롤러가 인터럽트 요청 라인에 신호를 선언하여 인터럽트를 발생(raise)시키고 CPU는 인터럽트를 포착(catch)하여 인터럽트 핸들러로 디스패치(dispatch)하고 핸들러는 장치를 서비스하여 인터럽트를 지웁니다.(clear)

아래 사진은 인터럽트-구동 입출력 사이클을 요약한 것입니다.

인터럽트 - 구동 방식의 입출력 사이클

 

 방금 정리한 기본 인터럽트 기법은 장치 컨트롤러가 서비스할 준비가 될 때와 같은 비동기 이벤트에 CPU가 대응할 수 있게 합니다. 그러나 최신 운영체제에서는 더욱 정교한 인터럽트 처리 기능이 필요합니다.

1. 중요한 처리 중에 인터럽트 처리를 연기할 수 있어야 한다.
2. 장치의 적절한 인터럽트 핸들러로 효율적으로 디스패치 할 방법이 필요하다.
3. 운영체제가 우선순위가 높은 인터럽트와 우선순위가 낮은 인터럽트를 구분하고 적절한 긴급도로 대응할 수 있도록 다단계 인터럽트가 필요하다.

최신 컴퓨터 하드웨어에서 이 세 가지 기능은 CPU 및 인터럽트 컨트롤러 하드웨어에 의해 제공됩니다.

 대부분의 CPU에는 2개의 인터럽트 요청 라인이 있습니다. 하나는 복구할 수 없는 메모리 오류와 같은 이벤트를 위해 예약된 마스크 불가능 인터럽트(nonmaskable interrupt)이고, 두 번째는 마스킹 가능(maskable)입니다. 인터럽트 되어서는 안 되는 주요한 명령 시퀀스를 실행하기 전에 CPU에 의해 꺼질 수 있으며, 마스킹 가능한 인터럽트는 장치 컨트롤러가 서비스를 요청하기 위해 사용됩니다.

 벡터 방식 인터럽트 기법의 목적은 서비스가 필요한 장치를 결정하기 위해 하나의 인터럽트 핸들러가 가능한 모든 인터럽트 소스를 검색할 필요를 줄이기 위한 것이라는 것을 상기해야 합니다. 그러나 실제로 컴퓨터에는 인터럽트 벡터의 주소 개수보다 많은 장치가 있습니다. 이 문제를 해결하는 일반적인 방법은 인터럽트 체인을 사용하는 것입니다. 인터럽트 벡터의 각 원소는 인터럽트 핸들러 리스트의 헤드를 가리키는데 인터럽트가 발생하면 요청을 처리할 수 있는 핸들러가 발견될 때까지 상응하는 리스트의 핸들러가 하나씩 호출됩니다. 이러한 구조는 큰 크기의 인터럽트 테이블의 오버헤드와 하나의 인터럽트 핸들러로 디스패치 하는 비효율성의 절충안입니다.

 아래 그림은 Intel 프로세서의 인터럽트 벡터 설계를 보여줍니다. 마스크 불가능한 0에서 31까지의 이벤트는 다양한 오류 조건을 알리는 데 사용됩니다. 마스크 가능한 32에서 255까지의 이벤트는 장치가 생성한 인터럽트 같은 그 외 인터럽트를 처리하기 위해 사용됩니다.

Intel 처리기 이벤트-벡터 테이블

 인터럽트 기법은 또한 인터럽트 우선순위 레벨(interrupt priority level)을 구현하는데, 이러한 레벨을 통해 CPU는 모든 인터럽트를 마스킹하지 않고도 우선순위가 낮은 인터럽트 처리를 연기할 수 있고, 우선순위가 높은 인터럽트가 우선순위가 낮은 인터럽트의 실행을 선점할 수 있습니다.

요약하자면 인터럽트는 최신 운영체제에서 비동기 이벤트를 처리하기 위해 사용됩니다. 장치 컨트롤러 및 하드웨어 오류로 인해 인터럽트가 발생하며, 가장 긴급한 작업을 먼저 수행하기 위해 최신 컴퓨터는 인터럽트 우선순위 시스템을 사용합니다. 인터럽트는 시간에 민감한 처리에 빈번하게 사용되므로 시스템 성능을 좋게 하려면 효율적인 인터럽트 처리가 필요합니다.