[운영체제] 인터럽트란 무엇이고, 어떻게 발생할까

 

 

커널로의 진입이 필요한 시점은 3가지 존재한다.

 

• Interrupt
• Trap (software interrupt)
• System Call

 

이 중에서 인터럽트가 어떻게 커널 코드로 들어가고 어떤 처리가 일어나는지 알아보자.

 

 

 

인터럽트란?

 

인터럽트란 비동기적 이벤트가 발생했다는 사실을 주변장치로 알리는 방법을 뜻한다. 여기서 비동기란 이벤트가 언제 일어날 지 알 수 없다는 뜻인데, 이는 우리가 키보드를 언제 두드릴지 모르는 것과 같다고 생각하자.

 

반대로 동기란 이벤트가 일어날 시간이 정해져 있다는 뜻이다.

 

 

 

 

인터럽트가 발생하면 가장 먼저 PIC(Programmable Interrupt Controller)에 신호가 도착한다. PIC 칩은 곧장 CPU로 신호를 전달하는 프로세스를 거친다.

 

이때 Clock 인터럽트만 다른 인터럽트와 달리 PIC를 거치지 않고, 바로 CPU로 신호를 전달하는데, 이는 Clock 인터럽트가 굉장히 자주 일어나기 때문이다.

 

프로그램이 실행되는 도중에 CPU는 매번 인터럽트가 발생했는 지 확인한다. 만약 발생하지 않았다면 그대로 인스트럭션을 실행하지만, 발생했다면 인터럽트에 대한 처리를 진행한다.

 

만약 인터럽트가 발생하면, 실행 중인 프로세스는 곧장 커널 모드로 바꾼다. 그리곤, 레지스터 값들을 커널 스택에 저장하는데, 만약 이미 커널 모드 중에 있다면 굳이 Mode Change를 진행하지 않는다. 

 

커널 모드로 바뀐 이후, 이제 인터럽트 핸들러(Interrupt Handler)를 실행한다. 인터럽트 핸들러는 누가 인터럽트를 발생시켰는지 확인하는 역할을 한다. 만약, PIC 쪽에서 연결된 인터럽트가 발생했다면, PIC가 해당 인터럽트에 대한 번호를 반환한다.

 

인터럽트 핸들러는 해당 번호를 받아, IDT(Interrupt Descriptor Table) = IVT라는 테이블에 등록된 함수를 실행한다. 이 함수는 실제로 인터럽트를 처리하는 함수가 된다. 다른 말로 Interrupt Service Routine(ISR)이라고도 한다.

 

이전에 Time Slice마다, 컨텍스트 스위치가 일어난다는 것을 배운 적이 있다. 이때 Time Slice를 판단하는 것도 사실, Clock Interrupt에 의해 수행된다. Clock Interrupt가 걸릴 때마다 IDT에서 time_intr()함수를 호출하여 count값을 증가시키기 때문이다. 이를 통해 1ms마다 count값이 100이 될 때까지 증가시키고, 100번째가 된다면 다른 프로세스로 콘텍스트 스위치 할 수 있도록 한다.

 

왜 1ms까지 매번 커널로 들어가야 할까?

운영체제로써, 미뤄놓았던 커널에서의 처리를 해야 하는데, 만약 100ms마다 커널로 들어간다면, 그 사이에는 확인할 수 없다. 즉, 한 번 들어갈때 운영체제에서 해야 할 부가적인 일을 처리하고 나오기 때문에 매번 들어가야 한다.

 

 

 

인터럽트가 처리되는 부분

 

 

인터럽트를 처리하는 부분은 사실 두 두분이다.

왜냐하면, 급하게 처리야 할 부분과 나중에 미뤄놓아도 좋을 부분을 분리하는 것이 좋기 때문이다. 예를 들어, 매우 중요한 커널 작업을 수행하는 도중에 수행 시간이 긴 장치 인터럽트가 걸린다면 굉장히 위험한 상황이 발생할 것이다.

따라서, ISR은 급하게 빨리 해야 할 일은 빠르게 실행하고, 미뤄놓아도 좋을 것은 뒤로 미룬다.

 

 

 

 

 

인터럽트 중간에 인터럽트가 발생한다면?

 

인터럽트 중간에 다른 인터럽트가 발생할 수 있다.

이때, 즉시 인터럽트 처리해야 할 것은 바로 처리하게 되는데 이때 아래와 같이 nested interrupt 형태가 된다.

 

 

위 그림에서 빨간 부분을 살펴보자.

해당 부분은 유저 프로그램으로 돌아가기 이전의 상황이다. 이때 곧바로 유저 프로그램으로 돌아가지 않고, 부가적인 일을 수행하게 된다.

 

여기서 말하는 부가적인 일이란 아래와 같은 것들이다.

 

• 미뤄놓은 인터럽트에 대한 처리
• 새로운 시그널이 오지 않았는지 확인
• 새로운 프로세스가 도착하지 않았는 지 등 확인

 

 

 

 

 

Trap Hanlding

 

Trap이란 동기적인 소프트웨어 인터럽트를 실행한다.

예를 들어, 0으로 나눈 경우 Divide by Zero 오류와 같은 것이나, 유효하지 않은 Machine code, Sementation fault(허용되지 않은 메모리 주소), protection fault(읽기만 허용되고 쓸 수는 없을 때 쓰려고 한 경우), page fault(실행해야 하는 메인 메모리에 없는 경우)등이 될 수 있다.

 

중요한 것은 page fault를 제외하고는 전부 프로그램을 중지시킨다. 오직 page fault만이 프로그램을 중지시키지 않는다.

 

소프트웨어 인터럽트이지만, 인터럽트를 거는 주체는 CPU이다.

 

Trap이 걸리면, 일단 프로세스를 중단시키고 커널로 들어가야 한다. 따라서, 커널 스택에 레지스터 값을 저장하고 똑같이 인터럽트 핸들러를 실행시키며 ISR 함수를 통해 인터럽트 함수를 처리한다.

 

 

 

 

 

 

 

System Call

 

 System Call이란 프로세스가 운영체제에게 요청을 보내는 것을 말한다.

이때, 입력과 출력 외에도 System call을 부르는 경우는 많다.

유저 프로그램에서도 System Call이 불러지면, 처음에는 어셈블리 인스트럭션을 통해 명령을 수행한다. 이러한 어셈블리 인스트럭션은 IDT상에서 _0x80_ 메모리 주소 상의 값을 수행하도록 하는데, 여기에는 system call 함수가 존재한다.

 

 

sys call table이 존재하는 이유는 system call에 종류가 굉장히 많기 때문이다.