인터럽트(Interrupt)의 개념과 종류

인터럽트는 컴퓨터 구조에서 CPU의 활동에 많은 영향을 끼치는 중요한 개념이다. 어느 전산 시험, 어느 회차에서도 관련 문제가 꼭 등장하므로 인터럽트에 대해서만 확실히 이해하고 가도 몇 문제는 더 풀 수 있을 정도이다.

인터럽트란 사전적 의미로는 '끼어들다', '중단시키다' 정도의 의미를 가진 말로 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우 현재 실행중인 작업을 중단하고 발생된 상황을 처리한 후 다시 실행중인 작업으로 복귀하는 것을 말한다.

인터럽트의 종류

인터럽트의 종류는 외부 인터럽트, 내부 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉠 수 있다.

외부 인터럽트

• 전원 이상 인터럽트(Power fail interrupt) : 말그대로 정전, 파워 이상 등
• 기계 착오 인터럽트(Machine check interrupt) : CPU의 기능적인 오류
• 외부 신호 인터럽트(External interrupt)
  - 타이머에 의한 인터럽트 : Preemptive개념을 생각하면 된다. 자원이 할당된 시간이 다 끝난 경우
  - 키보드로 인터럽트 키를 누른 경우 : 대표적으로 Control + Alt + Delete
  - 외부장치로부터 인터럽트 요청이 있는 경우 : I/O 인터럽트 아님!! 다른 개념이다
• 입출력 인터럽트(I/O Interrupt)
  - 입출력장치가 데이터 전송을 요구하거나 전송이 끝나 다음 동작이 수행되어야 할 경우
  - 입출력 데이터에 이상이 있는 경우

내부 인터럽트

• 잘못된 명령이나 잘못된 데이터를 사용할때 발생하며 Trap이라 부른다.
• 프로그래 검사 인터럽트(Program check interrupt)
  - Division by zero
  - Overflow/Underflow
  - 기타 Exception
• 소프트웨어적이 내용이나 분류상 인터럽트가 아니다!

소프트웨어 인터럽트(SVC : SuperVisor Call)

• 사용자가 프로그램을 실행시키거나 감시프로그램(Supervisor)을 호출하는 동작을 수행하는 경우
• 소프트웨어 이용중 다른 프로세스를 실행시키면 시분할 처리를 위해 자원 할당 등의 동작이 수행된다.

인터럽트 동작 순서

1. 인터럽트 요청
2. 프로그램 실행 중단 : 현재 실행중이던 Micro operation 까지 수행한다.
3. 현재의 프로그램 상태 보존 : PCB(Process Control Block), PC(Program Counter) 등
4. 인터럽트 처리루틴 실행 : 인터럽트를 요청한 장치를 식별한다.
5. 인터럽트 서비스 루틴 실행 : 인터럽트 원인을 파악하고 실질적인 작업을 수행한다. 처리기 레지스터 상태를 보존한다. 서비스 루틴 수행 중 우선순위가 더 높은 인터럽트가 발생하면 또 재귀적으로 1~5를 수행한다.
6. 상태복구 : 인터럽트 발생 시 저장해둔 PC(Program counter)를 다시 복구한다.
7. 중단된 프로그램 실행 재개 : PC의 값을 이용하여 이전에 수행중이던 프로그램을 재개한다.

인터럽트 우선순위

여러 장치에서 인터럽트가 동시에 발생하거나 인터럽트 서비스 루틴 수행 중 인터럽트가 발생했을 경우 우선순위를 따져서 처리한다.

전원 이상(Power fail) > 기계 착오(Machine Check) > 외부 신호(External) > 입출력(I/O) > 명령어 잘못 > 프로그램 검사(Program Check) > SVC(SuperVisor Call)

일반적으로 하드웨어 인터럽트가 소프트웨어 인터럽트보다 우선 순위가 높고 내부 인터럽트 보다 외부 인터럽트가 우선 순위가 높다.

인터럽트 우선순위 판별 방법

소프트웨어적인 방법(Polling)

인터럽트 요청 플래그를 차례로 비교하여 우선순위가 가장 높은 인터럽트 자원을 찾고, 이에 해당하는 인터럽트 서비스 루틴을 수행한다.

속도가 따른 장치에 높은 등급을 부여한다.

우선순위 변경이 쉽다.

많은 인터럽트가 있을 경우 하드웨어 적인 방법에 비해서 우선순위 판단 속도가 느리다.

회로가 간단하고 융통성이 있으며, 별도의 하드웨어가 필요 없다.

하드웨어적인 방법(Vectored Interrupt)

인터럽트를 요청할 수 있는 장치와 CPU사이에 장치번호를 식별할 수 있는 버스를 직렬/병렬로 연결한다.

인터럽트 벡터는 인터럽트를 발생한 장치가 분기할 곳에 대한 정보이다.

소프트웨어적인 방법에 비해 비경제적이다.

회로가 복잡하고 융통성이 없으나, 별도의 소프트웨어가 필요없이 하드웨어로 처리되므로 속도가 빠르다.

하드웨어적인 방법은 아래 2가지로 나뉜다.

1) Daisy Chain★

인터럽트가 발생하는 모든 장치를 하나의 직렬 회선으로 연결한다.

우선순위가 높은 장치를 상위에 두고 우선순위 차례대로 배치한다.

2) 병렬(Parallel) 우선순위 부여 방식

인터럽트가 발생하는 모든 장치를 하나의 직렬 회선으로 연결한다.

각 장치별 우선순위를 판별하기 위한 Mask register에 bit를 설정한다.

Mask register상 우선순위가 높은 서비스 루틴 수행중 우선순위가 낮은 bit들을 비활성화 시킬 수 있다.

반대로 우선순위가 높은 인터럽트는 낮은 인터럽트 수행 중에도 우선 처리된다.

인터럽트 서비스 루틴을 실행할 때 인터럽트 플래그(IF)를 1로 하면 인터럽트 발생을 방지할 수 있다.