운영체제) 인터럽트(Interrupt)와 관련 주요 개념, DMA

인터럽트(Interrupt)란?

 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우 현재 실행중인 작업을 중단하고 발생된 상황을 처리한 후 다시 실행중인 작업으로 복귀하는 것을 의미한다.

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인터럽트의 종류

인터럽트는 크게 외부 인터럽트, 내부 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트로 나뉜다. (중요도는 소프트웨어 인터럽트가 가장 낮다.)

외부 인터럽트 🔥

원인이 외부에서 기인한 인터럽트를 의미한다.

• 전원 이상 인터럽트(Power fail interrupt) : 정전, 파워 이상, 절전 모드(?) 등
• 기계 착오 인터럽트(Machine check interrupt) : CPU의 기능적인 오류
• 외부 신호 인터럽트(External interrupt)
  • 타이머에 의한 인터럽트 : preemptive(선점형) 개념을 생각하면 됨. 자원이 할당된 시간이 다 끝난 경우
  • 키보드로 인터럽트 키를 누른 경우 : 대표적인 경우가 Ctrl + Alt + Del(작업관리자 실행 혹은 재부팅)
  • 외부장치로부터 인터럽트 요청이 있는 경우(I/O 인터럽트와 다른 개념)
• 입출력 인터럽트(I/O interrupt)
  • 입출력장치가 데이터 전송을 요구하거나 전송이 끝나 다음 동작이 수행되어야 하는 경우
    • CPU는 RAM(주기억장치)와 밀접하게 동작한다. 과거에는 CPU가 RAM을 직접 통제했으나 현재는 간접적으로 통제하는 방식을 채택했다. Memory Manager(=입출력 관리자)가 있어, ‘CPU → 입출력 관리자 → 램’ 혹은 ‘CPU ← 입출력 관리자 ← 램’ 방향으로 통신한다.
  • 입출력 데이터에 이상이 있는 경우

내부 인터럽트

• 잘못된 명령이나 잘못된 데이터를 사용할 때 발생하며, Trap이라 부른다.
• 프로그램 검사 인터럽트(Program check interrupt)
  • Division by zero(0으로 나눔)
  • 컴퓨터는 5 / 2를 ‘나누어질 값이 나눌 값보다 큰 이상 계속해서 뺌으로써 몫과 나머지를 구하는 방식’으로 구한다. 즉, 5 - 2 를 수행한 후 그 값인 3이 여전히 2보다 크기 때문에 다시금 뺌으로써 몫은 2(두 번 나눔), 나머지는 1이 되는 것이다. 컴퓨터가 이러한 방식으로 동작하기 때문에 어떤 값을 0으로 나누게 되면 무한 루프를 돌게 되어 CPU가 손상을 입게 되어 이것을 막고 있다.
  • Overflow/Underflow
  • 기타 Exception
• 소프트웨어적인 내용이나 분류상 인터럽트가 아님

소프트웨어 인터럽트(SVC : SuperVisor Call)

• 사용자가 프로그램을 실행시키거나 감시프로그램(Supervisor)을 호출하는 동작을 수행하는 경우

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인터럽트 동작 순서 🔥

• 이 과정에서 Context-Switching이 발생하게 된다.

1. 인터럽트 요청
2. 프로그램 실행 중단(CPU가 수행하고 있던 연산에 대해 일시 중지 한다.)
3. 현재의 프로그램 상태 보존(백업) : PCB(Process Control Block), PC(Program Counter) 등
4. 인터럽트 서비스 루틴 실행 : 인터럽트를 요청한 장치를 식별한다.
5. 인터럽트 서비스 루틴 실행
6. Cf. 인터럽트 서비스 루틴 실행 중에 더 높은 우선순위의 인터럽트가 발생하면 또 재귀적으로 1 ~ 5번 과정을 수행
7. 상태 복구 : 인터럽트 발생 시 저장해둔 PC(Program Counter)를 다시 복구한다.
8. 중단된 프로그램 실행 재개 : PC의 값을 이용해 수행중이던 프로그램을 재개한다

Cf. 인터럽트가 발생하면 이 인터럽트를 처리하는 ISR(인터럽트 마다의 서비스 루틴, Interrupt Service Routine)이 실행되게 되고, ISR이 끝날 때까지 프로그램 실행은 중단된다는 점에 유의

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인터럽트 우선순위

 여러 장치에서 인터럽트가 동시에 발생하거나 ISR 수행 중 새로운 인터럽트가 발생하는 경우 우선순위를 따져서 처리한다.

전원 이상 > 기계 착오 > 외부 신호 > 입출력 > 명령어 잘못 > 프로그램 검사 > SVC

 일반적으로 하드웨어 인터럽트가 소프트웨어 인터럽트보다 우선순위가 높고, 외부 인터럽트가 내부 인터럽트보다 우선순위가 높다.

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DirectX

중간에 시스템콜이 일어나거나 데이터를 복사하는 과정을 최소화하여 지연 시간을 줄인 예. 게임의 지연 시간을 줄이기 위해 사용되기 시작함(Windows Vista가 User/Kernel, Hardware 각 단계를 모두 DirectX로 연결되게 함으로써 속도를 증가시킨 예가 되기도 한다.)

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IRQ

Device Driver 내부에서는 Interrupt를 요청(IRQ)한다. IRQ는 고유 번호를 가진다. 이 고유 번호를 가지고 요청을 하게 되면, CPU는 Interrupt를 발생시켜서 해당 장치(주변 기기)와 통신하게 된다.

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DMA(Direct Memory Access)

 I/O 과정에서 발생하는 인터럽트를 줄임으로써 지연이 줄어 성능을 극대화할 수 있다.

 주변장치들(HDD, VDD, NIC 등)이 메모리에 직접 접근하여 읽거나 쓸 수 있도록 하는 기능이다. 대개의 경우, 메모리(RAM)의 일정 부분이 DMA에 사용될 영역으로 지정된다.

Cf. PIO

DMA의 반대 개념. 장치들 간에 송수신 되는 모든 데이터가 중앙처리장치를 거치게 하는 방식이다.

원본 : 유튜브(널널한 개발자님)