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[OS] 컴퓨터구조: 컴퓨터 시스템과 프로그램의 작동 원리

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인터럽트 과정
인터럽트 과정
By Jangan Lee 읽는 시간  15분

1. CPU

1.1. CPU 구성 요소

  • 산술논리 연산장치(ALU, Arithmeti Logic Unit)
    • 데이터의 산술 연산 및 AND, OR 같은 논리 연산 수행
  • 제어장치 (Control Unit)
    • CPU에서 명령어에 따른 작업 지시
  • 레지스터 (Register)
    • CPU 내 데이터 임시 보관
    • 실제 연산/작업 모두 레지스터 거쳐 수행됨

1.2. 명령어 Instruction

  • CPU가 해석/실행할 수 있는 기계 명령(machine instruction)
    • 컴파일로 만들어진 기계어 코드
    • CPU마다 명령 이름, 기계어 코드, 크기, 개수 등이 모두 다름
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move ecx, 51    ; b9 33 00 00 00    ecx 레지스터에 51 저장
add ax, 8       ; 83 c4 08          ax 레지스터에 8 더하기
push ebp        ; 55                ebp 레지스터 값을 스택에 저장
call _printf    ; e8 00 00 00 00    _printf 함수 호출
ret 0           ; c3                이 함수를 호출한 곳으로 리턴(0 값과 함께)

이 기계어 코드가 메모리에 적재되어야 하며, CPU가 순차적으로 읽어가며 지정된 동작을 수행한다.

1.3. 레지스터

레지스터특징
사용자
가시
레지스터		데이터 레지스터(DR)CPU가 명령어 처리 시 필요한 일반 데이터를
임시 저장하는 범용 레지스터
주소 레지스터(AR)데이터/명령어가 저장된 메모리 주소 저장
사용자
불가시
레지스터		프로그램 카운터(PC)다음 실행 명령어의 위치 정보(코드 행 번호,
메모리 주소) 저장
명령어 레지스터(IR)현재 실행 중인 명령어 저장
메모리 주소 레지스터(MAR)메모리 관리자가 접근해야 할 메모리 주소 저장
메모리 버퍼 레지스터(MBR)메모리 관리자가 메모리에서 가져온 데이터를
임시 저장
프로그램 상태 레지스터(PSR)연산 결과(양수, 음수, 오버플로 등) 저장
레지스터설명
AX, BX, CX, DX범용 레지스터
R8-R15범용 레지스터(64 bits only)
SI, DI1Source/Destination Index
BP, SPBase/Stack 포인터
IP(중요)Instruction 포인터
Flag 레지스터연산결과에 대한 Flags

레지스터

1.4. Instruction Cycle

CPU의 명령어 처리 과정은 Fetch → Decode → Execute의 순서로 진행되는 Instruction Cycle을 거친다.

  • Fetch: 기계어 코드를 Program counter(PC)를 통해 순차적으로 읽는다. (RAM)
  • Decode: 현재 실행할 명령어가 무엇인지 해석한다. (Control unit)
  • Execute: 명령어를 수행한다. (ALU)

Instruction Cycle

Instruction Cycle 2

Instruction Cycle 3

2. 메모리

2.1 메모리 보호

현대 OS는 시분할 기법을 사용해 여러 프로그램을 동시에 실행한다. 즉 사용자 영역이 여러 개의 작업공간으로 나뉘어 있는데, 타 프로그램이 다른 프로그램의 메모리 영역을 침범하지 않도록 보호해야 할 필요가 있다. 이것이 메모리 보호가 필요한 이유이다.

메모리가 보호되지 않으면 어떤 작업이 다른 작업의 영역을 침범하여, 프로그램 실행을 방해하거나 데이터에 간섭을 할 수 있다. 그러다 혹시 운영체제 영역을 침범하기라도 하면 매우 곤란해진다.

2.2. 메모리 보호 기법: Segmentation

  1. 작업의 메모리 시작 주소를 경계 레지스터2에 저장, 작업
  2. 마지막 주소까지의 차이(작업이 차지하는 메모리 크기)를 한계 레지스터2에 저장
  3. 사용자 작업 진행되는 동안, 이 두 레지스터 주소 범위를 벗어나는지 하드웨어적으로 점검
  4. 만약 벗어난다면 메모리 오류와 관련된 Interrupt 발생 → OS가 해당 프로그램 강제 종료
    → Segmentation falut

Segmentation

2.3. 부팅

  • 부팅: 컴퓨터 켰을 때 OS를 메모리에 올리는 과정
  • 부트로더(Boot loader, Bootstrap loader)
    • OS를 실행시켜 주기 위한 프로그램 → BIOS/UEFI
    • 하드웨어 점검 후 미리 약속된 저장장치의 약속된 위치의 프로그램을 실행시킴
      • Master boot record(MBR): 디스크의 첫번째 섹터
      • GUID Partition Table (GPT)

부팅

3. 폴링과 인터럽트

외부 장치들은 예외 상황(입력 발생, 작업 완료 등)이 발생하면 CPU에게 자신의 상태를 알려준다. CPU는 이러한 상태들을 크게 두 가지 방식으로 처리할 수 있는데, Polling, Interrupt가 그것이다.

  • 예외 상황들에 대한 예
    • 키보드/마우스 조작
    • 네트워크 패킷 수신
    • 저장 장치 입력완료
    • USB 장치 연결 알림
    • 기타 시스템 메시지(segmentation fault 등)
    • 등등

3.1. Polling(Programmed I/O)

  • CPU가 입출력장치에서 직접 데이터를 입출력하는 방식
  • CPU가 외부 상태를 주기적으로 검사, 요청(Request)이 있으면 처리한다.
    • 메시지는 CPU가 poll을 할 때까지 기다려야 한다.
  • 폴링 주기(Polling rate)
    • 주기가 높을 수록 응답속도 ↑, 실시간성 ↓
    • CPU 작업 속도에 영향이 있음

폴링

3.2. Interrupt(Interrupt Driven I/O)

  • 각 자원들이 능동적으로 자신의 상태변화를 CPU에게 알리는 방식
  • CPU는 필요시에만 외부 장치와 통신하며, 남는 시간 동안 다른 작업을 처리한다.

외부 장치가 CPU를 사용해야 할 때, IRQ(Interrupt ReQuest)를 전송한다.

  • Interrupt number(ID): 누가 어떤 인터럽트를 발생시킨 건지 구분하기 위한 고윳값
    1. 현재 CPU의 각종 레지스터와 상태 저장
    2. 인터럽트 핸들링 위해 ISR(Interrupt Service Routine) 수행
    3. 다시 원래 수행하던 프로그램으로 돌아가 이어서 처리

이렇듯 인터럽트 방식은 위와 같은 과정으로 CPU의 활용률을 높일 수 있다.3

인터럽트 인터럽트 과정

3.2.1. 인터럽트 종류

크게 두가지로 구분된다.

  • 하드웨어 인터럽트: CPU 외부의 디스크 컨트롤러/주변장치로부터 요구
    • 기계검사 인터럽트: 컴퓨터 자체에 기계적 문제가 발생한 경우
    • 외부 인터럽트: 오퍼레이터/타이머에 의해 의도적으로 프로그램 중단된 경우
    • 입출력 인터럽트: 입출력 종료/오류에 의해 CPU 기능 요청되는 경우
    • 프로그램 검사 인터럽트: 프로그램 실행 중 보호 공간에 접근/불법적 명령 수행 등 문제가 발생한 경우
  • 소프트웨어 인터럽트: CPU 내부에서 자신이 실행한 명령어/CPU의 명령 실행에 관련된 모듈이 변화하는 경우
    • 프로그램 실행 중 프로그램 상 처리 불가능 오류/이벤트 알리기 위한 경우에 발생
    • 트랩(trap), 예외(exception) 이라고 부름
      • 예시
        • 허용되지 않은 주소 참조
        • 0으로 나누기

3.3. 폴링 VS 인터럽트

인터럽트는 주로 메시지 빈도가 드물 때 사용되며, 폴링은 메시지 빈도가 짧거나 지속적으로 관찰해야 하는 경우 사용된다. 사실 정답은 없다.

  • 폴링을 사용하는 경우
    • 마우스 입력4
    • 저장장치 입력 완료
    • USB 장치 연결 알림
  • 인터럽트를 사용하는 경우
    • 키보드 입력
    • 메모리 참조 위치 초과
  • 폴링+인터럽트 같이 쓰는 경우
    • 네트워크 패킷 수신

하드웨어의 데이터를 메모리로 가져오려면 어떻게 해야 할까? 폴링과 인터럽트 둘 중 어느 것을 사용해야 하는 것일까?

  • 폴링: CPU가 데이터 있는지 확인하고 가져와 처리
  • 인터럽트: 장치가 데이터 있다고 말해주면 CPU가 처리

폴링, 인터럽트 모두 데이터의 전송을 CPU가 주관하게 되며, 데이터 이동처리에 시간을 낭비하게 된다. CPU의 개입 없이 하드웨어와 메모리 간 데이터 전송하는 방법이 있을까? 물론, 있다.

4. Direct Memory Access(DMA)

위 문제점의 개선 방안으로 나온 것으로, CPU 개입 없이 메모리와 하드웨어 장치 간 데이터 전송을 가능하게 한다.

  • DMA controller, Memory Mapped I/O(MMIO)
    • DMA 컨트롤러가 버스를 제어하고, I/O와 메모리 간 전송을 제어한다.
    • 메모리에는 입출력 작업을 위한 별도의 공간이 할당되어 있다. (MMIO)
    • DMA 1

DMA 2

4.1. DMA 동작

  • CPU가 할 일
    • CPU는 DMA에 데이터의 메모리, 주소, 크기, 대상 장치들을 DMA 컨트롤러에 지시함
  • 나머지 데이터 I/O는 DMA 컨트롤러 통해 이뤄짐
    • 그 동안 CPU는 다른 작업들을 할 수 있음
  • DMA 동작이 끝나면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 발생시킴

4.2. DMA 동작 모드

  • 사이클 스틸링 (Cycle Stealing) 모드 - 경쟁적
    • DMA 컨트롤러와 CPU가 동시에 BUS를 사용하고자 할 때, 속도 빠른 CPU가 속도 느린 DMA에게 BUS 사용 우선순위를 양보하여 빠른 입출력을 가능하게 하는 방법
    • 한번의 DMA 동작 중 한 Word 정도의 데이터 전송 시 사용
  • 버스트 모드 (Burst Mode) - 배타적
    • 한번의 DMA 동작 중 Block 단위의 데이터 전송시 사용
    • 여러 개의 메모리 워드로 구성된 블록이 지속적으로 전송됨
    • 고속의 입출력 장치를 대상으로 함
    • DMA 인터페이스가 버스 사용권 획득 시 데이터 전송 완료될 때까지 버스 사이클을 독점한다.
  • Demand transfer mode
    • DMA가 CPU에게 요구한 카운트만큼의 BUS 제어권을 가지는 모드
    • 카운트 다 되거나, 중간에 DMA가 반환되면 CPU가 다시 제어권을 가져간다.





각주

  1. SI, DI는 loop에서 사용됐던 레지스터로, 현재는 거의 사용되지 않는다. (흔적기관 같은 느낌) ↩

  2. 이들도 SI, DI와 마찬가지로 옛 것의 잔재이다. (현대에서 거의 사용되지 않음) ↩ ↩2

  3. 하지만 너무 많은 인터럽트가 발생하거나 인터럽트가 동시에 여럿 발생한다면 곤란할 수 있는데, 이를 위해 Interrupt vector나, Nested interrupt가 고안되었다. ↩

  4. 마우스 움직이면 좌표 변화가 짧은 시간에 많이 발생하므로 폴링이 유리하다. ↩

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