[리눅스커널] 인터럽트(Interrupt)란

인터럽트란 무엇일까요? 인터럽트란 일반적인 상황에서 갑자기 발생하는 비동기적인 통지나 이벤트라고 볼 수 있습니다. 이번 절에서는 인터럽트라는 용어와 그것의 의미를 알아보겠습니다.

 

일상 생활에서의 인터럽트
인터럽트란 단어가 생소하신가요? 낯설게 들리는 분도 있고 귀에 익은 분도 있을 것입니다. 일상생활에서 인터럽트란 갑자기 생긴 일이나 하던 일을 멈춘다는 의미입니다. 일상적으로 하던 일을 멈추게 하는 무엇인가가 갑자기 발생한 상황을 뜻합니다. 예를 들면, 책을 읽다가 갑자기 전화가 와서 읽던 책을 덮어 놓고 전화를 받는 상황이 그러합니다.

 

하드웨어 관점에서 인터럽트란?
임베디드 시스템 관점에서 인터럽트는 무엇일까요? 먼저 하드웨어 관점에서 생각해 봅시다. 하드웨어 관점에서 인터럽트란 하드웨어의 변화를 감지해서 외부 입력으로 전달되는 전기 신호입니다.

 

한 가지 예를 들어보겠습니다. 손으로 키보드를 치면 하드웨어적으로 키보드 하드웨어의 변화를 감지하고 신호가 발생합니다. 그래서 보통 하드웨어 개발자들은 오실로스코프란 장비로 인터럽트 신호가 제대로 올라오는지 측정합니다.

오실로스코프로 인터럽트 신호를 측정하면 다음과 같은 파형을 볼 수 있습니다. 
 

그림 5.1 인터럽트 파형의 예

참고로 인터럽트 신호는 그림 5.1과 같이 인터럽트를 식별하는 구간에 일정하게 5V(Voltage)를 유지하거나 0V에서 5V로 바뀌는 두 가지 종류로 분류합니다.

CPU 입장에서 인터럽트란?

 

이번에는 소프트웨어 관점에서 인터럽트가 무엇인지 알아봅시다. 인터럽트가 발생하면 프로세스는 하던 일을 멈추고 '이미 정해진 코드'를 실행해서 하드웨어의 변화를 처리합니다. 여기서 '이미 정해진 코드'란 어떤 의미일까요? 인터럽트 벡터와 인터럽트 핸들러를 말합니다.  이처럼 인터럽트가 발생하면 소프트웨어적으로 처리하는 과정을 인터럽트 서비스 루틴(Interrupt Service Routine)이라고 합니다.

이번에는 CPU(ARM) 관점에서 인터럽트를 어떻게 처리하는지 알아봅시다. 인터럽트는 CPU 아키텍처별로 다르게 처리합니다. x86, ARMv7, ARMv8 아키텍처별로 인터럽트를 처리하는 방식이 다른 것입니다. 라즈베리 파이는 ARMv7 기반 아키텍처이므로 ARMv7 CPU에서 인터럽트를 처리하는 과정을 알면 됩니다. 그럼 ARMv7 아키텍처에서는 인터럽트를 어떻게 처리할까요? ARMv7 프로세서에서 인터럽트는 익셉션(Exception)의 한 종류로 처리하므로 익셉션 처리 방식에 대해 알 필요가 있습니다. 

ARMv7 아키텍처에서 익셉션의 동작 원리는 무엇일까요? ARMv7 프로세서는 외부 하드웨어 입력이나 오류 이벤트가 발생하면 익셉션 모드로 진입합니다. ARMv7 프로세스는 익셉션이 발생했다고 감지하면 익셉션 종류별로 이미 정해 놓은 주소로 브랜치합니다. 조금 어려운 개념인데 순간 이동과 비슷한 개념으로 생각해도 좋습니다. 이미 정해진 주소로 브랜치하는 동작은 조금만 생각해보면 그리 낯설지는 않습니다. 어떤 코드에서 함수를 호출할 때 어셈블리 코드로 분석하면 이와 유사한 동작을 합니다.

한 가지 예를 들겠습니다.

https://github.com/raspberrypi/linux/blob/rpi-4.19.y/kernel/sched/core.c
01 asmlinkage __visible void __sched schedule(void)
02 {
...
03 do {
04 preempt_disable();
05 __schedule(false);

05 번째 줄과 같이 __schedule(false) 함수를 호출할 때 어셈블리 코드 관점에서는 어떻게 동작할까요? ARM 코어 프로그램 카운터를 __schedule() 주소로 바꿉니다. 즉, 현재 실행 중인 레지스터 세트를 스택에 푸시합니다.

마찬가지로 ARM 이 익셉션 모드를 감지하면 익셉션 모드별로 정해진 주소로 ARM 코어 프로그램 카운터를 바꿉니다. 이후 실행 중인 코드의 레지스터 세트를 스택에 푸시합니다.

인터럽트나 소프트웨어적인 심각한 오류가 발생하면 ARMv7 프로세스는 ‘이미 정해진 주소’에 있는 코드를 실행합니다. 이미 정해진 주소 코드를 익셉션 벡터(Exception Vector)라 하며, 각 익셉션의 종류에 따라 주소의 위치가 다릅니다. 그런데 ARMv7 프로세서는 인터럽트를 익셉션 벡터 중 하나의 모드로 처리합니다(이 동작은 5.3절에서 상세히 다룹니다).

이제 인터럽트 소개를 마쳤으니 이번에는 인터럽트에 대해 조금 더 자세히 살펴보겠습니다. 임베디드 시스템이나 운영체제에서 '인터럽트를 처리하는 방식'을 논할 때 흔히 “인터럽트 핸들러는 빨리 실행해야 한다.”라는 이야기를 많이 듣습니다. 이는 리눅스 디바이스 드라이버에서도 마찬가지입니다. 그러면 리눅스 커널에서도 인터럽트 핸들러를 빨리 실행해야 하는 이유는 무엇일까요? 가장 큰 이유는 인터럽트가 발생하면 실행되는 코드가 멈추기 때문입니다.

앞으로 여러분이 리눅스 디바이스 드라이버나 커널 코드를 볼 때는 우리가 보고 있고 있거나 실행하는 어떤 커널 코드도 인터럽트가 발생하면 실행이 멈춰서 인터럽트 벡터로 실행 흐름을 이동할 수 있다는 사실을 머릿속으로 그리면서 분석하면 좋겠습니다.

그런데 인터럽트가 발생하면 실행 중인 코드를 멈추고 익셉션 벡터로 이동한다는 사실은 코드만 봐서 이해하기는 어렵습니다. 이를 위해 실습이 필요합니다. 라즈베리 파이 같은 리눅스 시스템에서는 ftrace로 인터럽트의 동작 방식(인터럽트 종류와 인터럽트 발생 빈도)을 확인할 필요가 있습니다.