Arm Linux Kernel Hacks

리눅스 커널에서의 인터럽트 처리 흐름
인터럽트가 발생했을 때 커널이 이를 처리하는 과정은 다음과 같이 3단계로 나눌 수 있습니다.

 1 단계: 인터럽트 발생
인터럽트가 발생하면 프로세스 실행을 중지하고 인터럽트 벡터로 이동합니다. 인터럽트 벡터에서 인터럽트 처리를 마무리한 후 다시 프로세스를 실행하기 위해 실행 중인 프로세스 레지스터 세트를 스택에 저장합니다. 이후 커널 내부 인터럽트 함수를 호출합니다. 

 2단계: 인터럽트 핸들러 호출
커널 내부에서는 발생한 인터럽트에 대응하는 인터럽트 디스크립터를 읽어서 인터럽트 핸들러를 호출합니다. 

 3단계: 인터럽트 핸들러 실행
인터럽트 핸들러에서 하드웨어를 직접 제어하고 유저 공간에 이 변화를 알립니다.

이해를 돕기 위해 한 가지 예를 들어보겠습니다. 안드로이드 휴대폰에서 화면을 손을 만지는 동작에서 여러분이 손으로 휴대폰 화면을 터치하면 내부 동작은 다음과 같은 단계로 나눌 수 있습니다.

 1단계: 터치 인터럽트 발생
하드웨어적인 터치 모듈이 변화를 감지하고 터치 모듈에 대한 인터럽트를 발생시킵니다. 이때 인터럽트 벡터가 실행됩니다.

 2단계: 터치 인터럽트 핸들러 호출
커널은 터치 인터럽트 번호로 해당 인터럽트 디스크립터를 읽습니다. 다음 인터럽트 디스크립터에 저장된 인터럽트 핸들러 주소를 찾아 인터럽트 핸들러를 호출합니다.

 3단계: 터치 인터럽트 핸들러 실행
결국 터치 인터럽트 핸들러는 해당 터치 인터럽트를 받아 정해진 처리를 합니다. 화면을 업데이트하거나 하드웨어 터치 디바이스에 인터럽트를 잘 받았다는 사실을 알립니다. 


“인터럽트 디스크립터”, “인터럽트 벡터” 같은 낯선 용어로 설명했는데, 이러한 용어의 공학적 의미는 하나하나 각 장에서 다룰 예정입니다. 


인터럽트가 발생하면 이를 커널이 처리하는 과정을 터치 드라이버를 예로 들어 살펴봤습니다. 인터럽트 발생을 처리하는 단계를 함수 흐름과 실행 주체별로 분류하면 다음 그림과 같습니다. 

그림 5.5 ARM 프로세서/리눅스 커널/디바이스 드라이버별 인터럽트 처리 흐름

전체 실행 흐름은 다음의 3단계로 분류할 수 있습니다.

1. ARM 프로세스
인터럽트가 발생하면 실행 중인 코드를 멈춘 후 인터럽트 벡터로 실행 흐름을 이동합니다. ARM 프로세스와 연관된 동작입니다. 

2. 리눅스 커널
인터럽트 벡터로 프로그램 카운터를 브랜치합니다. 커널 인터럽트 내부 함수에서 인터럽트를 관리하는 자료구조인 인터럽트 디스크립터를 읽습니다. 인터럽트 디스크립터에 저장된 인터럽트 핸들러를 호출합니다.

3. 디바이스 드라이버
각 디바이스 드라이버에서 등록한 인터럽트 핸들러를 실행해 인터럽트 발생에 대한 처리를 수행합니다.

정리하면 “인터럽트로 하드웨어적인 변화가 발생하면 리눅스 커널에서 어떻게 처리하는가"입니다. 이를 위해 이번 절에서는 인터럽트에 대해 소개했으니 이어지는 절에서 인터럽트 컨텍스트에 대해 살펴보겠습니다.

ftrace와 커널 로그로 인터럽트 컨텍스트 확인해보기

이번 절에서는 ftrace 로그를 분석하면서 커널이 인터럽트를 어떻게 처리하는지 알아봅시다. 


리눅스 커널에서 커널 동작을 가장 정밀하게 담고 있는 로그는 뭘까요? 아마 많은 리눅스 전문가들은 ftrace라고 대답할 겁니다. ftrace는 리눅스 커널에서 제공하는 가장 강력한 디버그 로그입니다. 리눅스 커널의 공식 트레이서이기도 합니다. 여러분도 ftrace 로그를 자주 활용해서 리눅스 커널을 익히기를 바랍니다.


ftrace로 인터럽트를 처리하는 인터럽트 핸들러 함수에 필터를 걸고 콜 스택 로그를 받아 보겠습니다. 

인터럽트 동작을 확인하기 위한 ftrace 설정
ftrace로 인터럽트의 동작 방식을 분석하기 전에 ftrace를 설정하는 방법을 소개합니다. 먼저 다음 명령어를 입력해 봅시다.

#!/bin/bash

echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
sleep 1
echo "tracing_off"

echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/events/enable
sleep 1
echo "events disabled"

echo  secondary_start_kernel  > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter
sleep 1
echo "set_ftrace_filter init"

echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
sleep 1
echo "function tracer enabled"

echo dwc_otg_common_irq > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter
sleep 1
echo "set_ftrace_filter enabled"

echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/irq/irq_handler_entry/enable
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/irq/irq_handler_exit/enable
echo "event enabled"

echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/options/func_stack_trace
echo "function stack trace enabled"

echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
echo "tracing_on"

이 같은 명령어를 입력한 후 irq_stack_trace.sh라는 이름으로 저장합니다. 그러고 나서 다음과 같은 명령어를 입력해 irq_stack_trace.sh 셸스크립트를 실행하면 ftrace를 빨리 설정할 수 있습니다.

root@raspberrypi:/home/pi # ./irq_stack_trace.sh

ftrace 설정 명령어 중 다음 코드를 함께 봅시다.

echo dwc_otg_common_irq > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter

이 명령어는 set_ftrace_filter에 다음 함수를 설정합니다.

dwc_otg_common_irq()

dwc_otg_common_irq() 함수가 호출될 때 함수 콜스택을 ftrace로 보기 위해 set_ftrace_filter 파일에 함수를 지정하는 것입니다.

이어서 ftrace를 받는 방법을 소개합니다.

#!/bin/bash

echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
echo "ftrace off"

sleep 3

cp /sys/kernel/debug/tracing/trace . 
mv trace ftrace_log.c

위 명령어를 입력해 get_ftrace.sh 셸 스크립트로 저장합니다. 그러고 나서 다음 명령어로 이 셸 스크립트를 실행하면 같은 폴더에 ftrace 로그를 저장한 ftrace_log.c 파일이 만들어집니다.

root@raspberrypi:/home/pi # ./get_ftrace.sh 

지금까지 설명한 실습 과정을 정리해 봅시다.

1. irq_stack_trace.sh 셸 스크립트를 실행해 ftrace를 설정한다.
2. get_ftrace.sh 셸 스크립트를 실행해 ftrace 로그를 받는다.

라즈베리 파이에서 받은 ftrace로 인터럽트 컨텍스트 확인
이제 ftrace 로그 분석을 시작하겠습니다. 먼저 ftrace 로그를 소개합니다.

1 kworker/0:0-27338 [000] d.h.  6028.897808: irq_handler_entry: irq=56 name=dwc_otg
2 kworker/0:0-27338 [000] 6028.897809: dwc_otg_common_irq <-__handle_irq_event_percpu
3 kworker/0:0-27338 [000] 6028.897847: <stack trace>
4  => handle_irq_event
5  => handle_level_irq
6  => generic_handle_irq
7  => bcm2836_chained_handle_irq
8  => generic_handle_irq
9  => __handle_domain_irq
10 => bcm2836_arm_irqchip_handle_irq
11 => __irq_svc
12 => _raw_spin_unlock_irqrestore
13 => _raw_spin_unlock_irqrestore
14 => schedule_timeout
15 => wait_for_common
16 => wait_for_completion_timeout
17 => usb_start_wait_urb
18 => usb_control_msg
19 => __usbnet_read_cmd
20 => usbnet_read_cmd
21 => __smsc95xx_read_reg
22 => __smsc95xx_phy_wait_not_busy
23 => __smsc95xx_mdio_read
24 => check_carrier
25 => process_one_work
26 => worker_thread
27 => kthread
28 => ret_from_fork


ftrace 로그를 보면 어느 로그부터 분석해야 할지 의문이 앞섭니다. 이때 염두에 둘 점은 아래에 있는 함수에서 위에 있는 함수 쪽으로 함수가 호출된다는 것입니다. 즉, ret_from_fork() 함수가 맨 먼저 실행된 후 다음과 같은 순서로 함수가 호출된 것입니다.

 kthread → worker_thread → process_one_work

이후 handle_level_irq() → handle_irq_event()→ __handle_irq_event_percpu()→ dwc_otg_common_irq() 순서로 함수가 호출됐습니다.  

다음 ftrace 로그는 조금 헷갈릴 수 있어 상세히 볼 필요가 있습니다.

2 kworker/0:0-27338 [000] 6028.897809: dwc_otg_common_irq <-__handle_irq_event_percpu
3 kworker/0:0-27338 [000] 6028.897847: <stack trace>
4  => handle_irq_event
5  => handle_level_irq

handle_irq_event() 함수까지 함수 호출이 수행된 듯합니다. 실제로는 다음 흐름으로 맨 마지막에 실행된 함수는 dwc_otg_common_irq()입니다. 함수 흐름은 다음과 같습니다.
handle_irq_event → __handle_irq_event_percpu → dwc_otg_common_irq


먼저 1번째 줄을 보겠습니다.

1 kworker/0:0-27338 [000] d.h.  6028.897808: irq_handler_entry: irq=56 name=dwc_otg

위 ftrace 메시지는 다음과 같은 사실을 말해줍니다.
 pid가 27338인 kworker/0:0 프로세스 실행 중 인터럽트가 발생
 인터럽트 번호는 56번이고 이름은 dwc_otg
 인터럽트 핸들러가 실행을 시작한 시간은 6028.897808임

이번에는 콜 스택을 볼 차례입니다. 콜 스택에서는 맨 먼저 호출된 함수부터 봐야 하니 로그의 가장 아랫부분부터 봐야 합니다. 

12 => _raw_spin_unlock_irqrestore
13 => _raw_spin_unlock_irqrestore
14 => schedule_timeout
15 => wait_for_common
16 => wait_for_completion_timeout
17 => usb_start_wait_urb
18 => usb_control_msg
19 => __usbnet_read_cmd
20 => usbnet_read_cmd
21 => __smsc95xx_read_reg
22 => __smsc95xx_phy_wait_not_busy
23 => __smsc95xx_mdio_read
24 => check_carrier
25 => process_one_work
26 => worker_thread
27 => kthread
28 => ret_from_fork

위 ftrace 로그는 인터럽트가 발생하기 전의 함수 호출 흐름입니다. 콜스택을 보니 kworker/0:0 프로세스가 실행 중입니다. check_carrier() 워크 핸들러 함수가 호출된 후 USB 드라이버가 동작 중입니다. 

이어서 인터럽트가 발생하고 난 후의 로그를 보겠습니다. 

1 kworker/0:0-27338 [000] d.h.  6028.897808: irq_handler_entry: irq=56 name=dwc_otg
2 kworker/0:0-27338 [000] 6028.897809: dwc_otg_common_irq <-__handle_irq_event_percpu
3 kworker/0:0-27338 [000] 6028.897847: <stack trace>
4  => handle_irq_event
5  => handle_level_irq
6  => generic_handle_irq
7  => bcm2836_chained_handle_irq
8  => generic_handle_irq
9  => __handle_domain_irq
10 => bcm2836_arm_irqchip_handle_irq
11 => __irq_svc
12 => _raw_spin_unlock_irqrestore

여기서 어떤 함수가 실행되던 도중에 인터럽트가 발생한 것일까요? 이 질문을 받으면 다음과 같이 대답할 수 있습니다. 

_raw_spin_unlock_irqrestore() 함수 실행 중 "irq=56 name=dwc_otg" 인터럽트가 발생했다.
 
ARM 프로세스는 인터럽트가 발생하면 익셉션을 유발해 __irq_svc 인터럽트 벡터를 실행합니다. 이후 리눅스 커널 내부의 인터럽트를 처리하는 커널 내부의 함수가 다음 순서로 호출되는 것입니다.

 handle_level_irq()
 handle_irq_event()
 __handle_irq_event_percpu()
 dwc_otg_common_irq()

이후 “irq=56 name=dwc_otg” 인터럽트를 처리하는 인터럽트 핸들러인 dwc_otg_common_irq() 함수를 호출합니다.

다소 복잡해 보이는 ftrace 로그를 그림으로 정리하면 다음과 같습니다. 

그림 5.6 인터럽트 발생 시 프로세스 스택 공간에서의 함수 호출 흐름  

그림 5.6은 56 번 인터럽트가 발생한 후의 함수 실행 흐름입니다. 오른쪽 상단에 인터럽트 컨텍스트라고 표시된 함수 구간이 있습니다. 이 구간에서 어떤 함수가 실행 중이면 '현재 인터럽트 컨텍스트다'라고 말할 수 있습니다.

ftrace 로그와 위 그림을 토대로 전체 실행 흐름은 다음과 같이 정리할 수 있습니다. 

 pid가 27338인 kworker/0:0 프로세스가 _raw_spin_unlock_irqrestore() 함수를 실행
 "irq=56 name=dwc_otg" 인터럽트가 발생해 인터럽트 벡터인 __irq_svc() 함수로 브랜치
 인터럽트 핸들러인 dwc_otg_common_irq() 함수가 실행됨

커널 로그를 이용한 인터럽트 컨텍스트 확인
이번에는 다른 리눅스 시스템에서 추출한 커널 로그를 보면서 인터럽트 컨텍스트를 배워봅시다. 먼저 커널 로그를 소개합니다.

https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git/commit/?id=bbe097f092b0d13e9736bd2794d0ab24547d0e5d

WARNING: CPU: 0 PID: 0 at include/linux/usb/gadget.h:405
 ecm_do_notify+0x188/0x1a0
 Modules linked in:
 CPU: 0 PID: 0 Comm: swapper Not tainted 4.7.0+ #15
 Hardware name: Atmel SAMA5
 [<c010ccfc>] (unwind_backtrace) from [<c010a7ec>] (show_stack+0x10/0x14)
 [<c010a7ec>] (show_stack) from [<c0115c10>] (__warn+0xe4/0xfc)
 [<c0115c10>] (__warn) from [<c0115cd8>] (warn_slowpath_null+0x20/0x28)
 [<c0115cd8>] (warn_slowpath_null) from [<c04377ac>] (ecm_do_notify+0x188/0x1a0)
 [<c04377ac>] (ecm_do_notify) from [<c04379a4>] (ecm_set_alt+0x74/0x1ac)
 [<c04379a4>] (ecm_set_alt) from [<c042f74c>] (composite_setup+0xfc0/0x19f8)
 [<c042f74c>] (composite_setup) from [<c04356e8>] (usba_udc_irq+0x8f4/0xd9c)
 [<c04356e8>] (usba_udc_irq) from [<c013ec9c>] (handle_irq_event_percpu+0x9c/0x158)
 [<c013ec9c>] (handle_irq_event_percpu) from [<c013ed80>] (handle_irq_event+0x28/0x3c)
 [<c013ed80>] (handle_irq_event) from [<c01416d4>] (handle_fasteoi_irq+0xa0/0x168)
 [<c01416d4>] (handle_fasteoi_irq) from [<c013e3f8>] (generic_handle_irq+0x24/0x34)
 [<c013e3f8>] (generic_handle_irq) from [<c013e640>] (__handle_domain_irq+0x54/0xa8)
 [<c013e640>] (__handle_domain_irq) from [<c010b214>] (__irq_svc+0x54/0x70)
 [<c010b214>] (__irq_svc) from [<c0107eb0>] (arch_cpu_idle+0x38/0x3c)
 [<c0107eb0>] (arch_cpu_idle) from [<c0137300>] (cpu_startup_entry+0x9c/0xdc)
 [<c0137300>] (cpu_startup_entry) from [<c0900c40>] (start_kernel+0x354/0x360)
 [<c0900c40>] (start_kernel) from [<20008078>] (0x20008078)
 ---[ end trace e7cf9dcebf4815a6 ]---J6

커널 로그에서 __irq_svc(asm) ~ unwind_backtrace() 함수들은 인터텁트 컨텍스트에서 수행되며, start_kernel() ~ arch_cpu_idle() 함수 구간은 프로세스 컨텍스트라고 볼 수 있습니다. 

커널 로그에서 __irq_svc 레이블은 개발 도중 자주 보게 됩니다. 위와 같이 콜스택에서 인터럽트 벡터인 __irq_svc 레이블을 보면 “아, 인터럽트가 발생해서 인터럽트를 처리 중이구나”라고 해석하면 됩니다. 임베디드 개발 중에는 이 같은 패턴의 커널 로그를 자주 만나니 잘 기억해둡시다.

이번 절에서는 인터럽트 컨텍스트에 대해 알아봤습니다. 지금까지 배운 내용을 정리해 봅시다.

 인터럽트 컨텍스트란 무엇인가?
    인터럽트가 발생해 인터럽트를 핸들링하는 동작입니다.

 인터럽트 컨텍스트를 왜 정의할까?
     인터럽트를 핸들링하는 시점에서 더 빠르고 간결하게 코드를 실행하기 위해서입니다.

다음 절에서는 인터럽트 컨텍스트를 알려주는 in_interrupt() 함수를 살펴보겠습니다.


프로세스는 높은 주소에서 낮은 주소 방향으로 스택을 씁니다. 사실 꼭 높은 주소에서 낮은 주소 방향으로 스택을 사용하도록 설정할 필요는 없습니다. 반대로 낮은 주소에서 높은 주소 방향으로 스택을 쓰도록 설정할 수도 있습니다. 그런데 대부분의 리눅스 벤더나 SoC에서 프로세스를 높은 주소에서 낮은 주소 방향으로 설정해 업계의 사실상 표준이 된 것입니다.

이번에는 프로세스가 실행 중인 프로세스 스택 공간에 대해 알아봅시다. 프로세스가 생성될 때 커널은 프로세스에게 0x2000 크기만큼 스택 공간을 할당합니다. 프로세스는 자신의 스택 공간에서 실행되므로 프로세스 입장에서 스택 공간은 운동장으로 볼 수 있습니다. 프로세스는 스택 메모리 공간 내에서만 실행되면서 다음과 같은 상황에서 스택 공간을 사용합니다.

 함수를 호출할 때 돌아올 주소를 스택에 저장
 지역변수를 스택을 써서 저장 

프로세스별로 할당된 스택 주소는 어떻게 확인할 수 있나요? 이 질문에 답하려면 태스크 디스크립터를 알아야 합니다. 프로세스별로 할당된 스택 주소는 태스크 디스크립터를 나타내는 task_struct 구조체의 stack 필드에서 확인할 수 있습니다.

커널이 인터럽트를 처리하는 과정과 자료구조를 왜 잘 알아야 할까요? 인터럽트를 처리하는 방식이 시스템 전반에 큰 영향을 끼치기 때문입니다. 또한 리눅스 커널 시스템 전반을 잘 이해하기 위해서도 커널이 인터럽트를 어떻게 처리하는지 잘 알고 있어야 합니다. 또 다른 이유는 다음과 같습니다. 

 대부분의 리눅스 드라이버는 인터럽트를 통해 하드웨어 디바이스와 통신합니다. 그래서 디바이스 드라이버 코드를 처음 분석할 때 인터럽트를 처리하는 함수나 코드를 먼저 확인합니다. 인터럽트의 동작 방식을 잘 알고 있으면 디바이스 드라이버 코드를 빨리 이해할 수 있습니다.

 인터럽트가 발생하면 프로세스는 이미 정해진 동작을 수행합니다. 인터럽트 처리 과정을 숙지하면 프로세스가 스택 메모리 공간에서 어떻게 실행되는지 알게 됩니다. 

 CPU 아키텍처(x86, ARM)에 따라 인터럽트 벡터는 달리 동작합니다. 인터럽트 벡터가 어떻게 동작하는지 잘 알면 자연히 ARM 아키텍처에 대해 더 많이 알게 됩니다.

또한 리눅스 커널의 핵심 동작을 이해하기 위해서도 인터럽트의 세부 동작 방식을 알 필요가 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

 스케줄링에서 선점(Preemptive) 스케줄링 진입 경로 중 하나가 인터럽트 처리를 끝낸 시점입니다.
 유저 공간에서 등록한 시그널 핸들러는 인터럽트 핸들링을 한 다음 처리를 시작합니다.
 레이스 컨디션이 발생하는 가장 큰 이유 중 하나가 비동기적으로 인터럽트가 발생해서 코드 실행을 멈추기 때문입니다.

무엇보다 리눅스 커널을 새로운 보드에 포팅하거나 시스템 전반을 설계하는 개발자는 커널이 인터럽트를 어떻게 처리하는지 잘 알아야 합니다. 커널 패닉이나 시스템이 느려지는 성능 문제가 인터럽트 동작과 연관된 경우가 많기 때문입니다.

여기서 “비동기적”이라는 용어는 언제 발생할지 모른다는 의미입니다. 

우리가 어떤 과목을 공부하기 전에 그 과목 공부의 필요성을 알면 조금 더 집중할 수 있습니다. 인터럽트도 마찬가지입니다. 커널에서 인터럽트를 처리하는 방식을 왜 배워야 하는지 알면 덜 지루할 것입니다.

다음 절에서는 리눅스 커널에서 인터럽트를 처리하는 흐름을 살펴보겠습니다.
 

앞에서 인터럽트에 대해 소개했으니 리눅스 커널에서 인터럽트를 처리하는 방식을 이해하기 위해 알아야 할 주요 개념을 소개합니다.

 인터럽트 핸들러
 인터럽트 벡터 
 인터럽트 디스크립터 
 인터럽트 컨텍스트

인터럽트 핸들러란?

인터럽트가 발생하면 이를 핸들링하기 위한 함수가 호출되는데 이를 인터럽트 핸들러라고 합니다. 예를 들어, 키보드를 타이핑해서 인터럽트가 발생하면 키보드 인터럽트를 처리하는 키보드 인터럽트 핸들러가 호출됩니다. 마찬가지로 휴대폰에서 화면을 손으로 만지면 터치 인터럽트가 발생하고 터치 인터럽트를 처리하는 터치 인터럽트 핸들러가 호출됩니다.

다음 그림을 보면서 각 디바이스별로 인터럽트 핸들러가 처리되는 과정을 알아보겠습니다.
 

그림 5.2 디바이스별로 실행되는 인터럽트 핸들러

그림 5.2에서 볼 수 있듯이 인터럽트 종류별로 인터럽트 핸들러가 있습니다. 인터럽트 핸들러는 함수 형태로 존재하며, 커널 내 인터럽트 함수에서 호출합니다. 이처럼 인터럽트가 발생해 지정한 인터럽트 핸들러가 동작하려면 어떻게 해야 할까요? request_irq() 함수를 적절한 인자와 함께 호출해서 미리 인터럽트 핸들러를 등록해야 합니다.

이해를 돕기 위해 컴퓨터에서 마우스를 움직였을 때 인터럽트를 처리하는 코드를 예로 들겠습니다.

https://github.com/raspberrypi/linux/blob/rpi-4.19.y/drivers/input/mouse/amimouse.c
01 static int amimouse_open(struct input_dev *dev)
02 {
03 unsigned short joy0dat;
...
04 error = request_irq(IRQ_AMIGA_VERTB, amimouse_interrupt, 0, "amimouse",
05     dev);

04 번째 줄을 보면 request_irq() 함수의 두 번째 인자로 인터럽트 핸들러 함수인 amimouse_interrupt()를 등록합니다.

이후 마우스 인터럽트가 발생하면 request_irq() 함수에서 지정한 amimouse_interrupt() 함수가 호출됩니다.

https://github.com/raspberrypi/linux/blob/rpi-4.19.y/drivers/input/mouse/amimouse.c
01 static irqreturn_t amimouse_interrupt(int irq, void *data)
02 {
03 struct input_dev *dev = data;
04 unsigned short joy0dat, potgor;
05 int nx, ny, dx, dy;
...
06 input_report_key(dev, BTN_LEFT,   ciaa.pra & 0x40);
07 input_report_key(dev, BTN_MIDDLE, potgor & 0x0100);
08 input_report_key(dev, BTN_RIGHT,  potgor & 0x0400);

인터럽트 핸들러에서는 마우스에서 입력한 데이터 정보를 참고해 유저 공간에 알리는 동작을 수행합니다.

코드는 복잡해 보이지만 다음 그림을 보면 인터럽트의 처리 과정을 쉽게 이해할 수 있습니다.
 

그림 5.3 마우스를 움직였을 때 마우스 인터럽트 핸들러를 호출하는 과정

마우스를 움직이면 마우스가 움직였다는 인터럽트가 발생해 인터럽트 벡터가 실행됩니다. 이후 커널 인터럽트 내부 함수에서 해당 인터럽트에 맞는 인터럽트 핸들러를 찾아 호출합니다. 많은 하드웨어 디바이스가 이 같은 방식으로 인터럽트를 통해 하드웨어의 변화를 알립니다.

인터럽트 컨텍스트는 언제 활성화될까?

인터럽트 컨텍스트는 현재 코드가 인터럽트를 처리 중이라는 뜻입니다. 인터럽트 컨텍스트에 대한 이해를 돕기 위해 먼저 소프트웨어 관점에서 인터럽트의 실행 흐름을 단계별로 보겠습니다.

1. 프로세스 실행 중
2. 인터럽트 벡터 실행
3. 커널 인터럽트 내부 함수 호출
4. 인터럽트 종류별로 인터럽트 핸들러 호출
  4.1 인터럽트 컨텍스트 시작
5. 인터럽트 핸들러의 서브루틴 실행 시작
6. 인터럽트 핸들러의 서브루틴 실행 마무리
  6.1 인터럽트 컨텍스트 마무리

복잡한 단계로 인터럽트가 처리되는 것 같아도 처리 과정을 요약하면 다음과 같습니다.

 인터럽트가 발생하면 실행 중인 코드를 멈추고 인터럽트 벡터로 이동해 인터럽트에 대한 처리를 수행합니다.
 인터럽트 종류별로 지정한 인터럽트 핸들러가 실행됩니다.

앞의 목록에서 4.1~6.1 사이에 호출된 함수는 인터럽트 컨텍스트에서 실행됐다고 할 수 있습니다. 여기서 한 가지 의문이 생깁니다. 현재 실행 중인 코드가 인터럽트 컨텍스트인지 어떻게 알 수 있을까요?

in_interrupt() 함수를 호출하면 현재 인터럽트 컨텍스트인지 알려줍니다. 이 함수가 true를 반환하면 현재 실행 중인 코드가 4.1~6.1 구간에 있다는 뜻입니다. 

인터럽트 디스크립터란?

인터럽트 종류별로 다음과 같은 인터럽트의 세부 속성을 관리하는 자료구조를 인터럽트 디스크립터라고 합니다.

 인터럽트 핸들러
 인터럽트 핸들러 매개변수 
 논리적인 인터럽트 번호 
 인터럽트 실행 횟수 

프로세스의 세부 속성을 표현하는 자료구조가 태스크 디스크립터이듯이 인터럽트에 대한 속성 정보를 저장하는 자료구조가 인터럽트 디스크립터인 것입니다. 커널 인터럽트의 세부 함수에서는 인터럽트 디스크립터에 접근해 인터럽트 종류별로 세부적인 처리를 수행합니다. 그림 5.4는 인터럽트가 발생했을 때 인터럽트 핸들러를 호출하는 흐름입니다.
 

그림 5.4 인터럽트 디스크립터로 인터럽트 핸들러를 호출하는 과정

커널 내부의 인터럽트 함수에서 인터럽트 종류별로 지정된 인터럽트 핸들러를 호출하려면 먼저 인터럽트 디스크립터에 접근해야 합니다. 인터럽트 디스크립터는 인터럽트 핸들러의 주소 정보를 갖고 있는데, 커널에서는 이를 읽어서 인터럽트 핸들러를 호출합니다.

인터럽트 디스크립터는 irq_desc 구조체이며 선언부는 다음과 같습니다.

https://github.com/raspberrypi/linux/blob/rpi-4.19.y/include/linux/irqdesc.h
struct irq_desc {
struct irq_common_data irq_common_data;
struct irq_data irq_data;
unsigned int __percpu *kstat_irqs;
irq_flow_handler_t handle_irq;

참고로 이번 절에서 소개한 인터럽트의 주요 개념은 5.2절부터 상세히 살펴볼 예정입니다.

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.