[ Linux Kernel ] 17. 인터럽트

17. 인터럽트

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인터럽트란 CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어나 예외상황 등이 발생해 작업을 처리가 필요할 경우에 커널에게 처리해 달라고 요청하는 것이다. 그럼 먼저 하드웨어적 문제중에서 CPU에 대해 알아보자

17.1 CPU

CPU는 먼저 인스트럭션을 가져온다. 그리고 그 인스트럭션을 분석하고 실행을 한다. 이렇게 실행을 하기 위해선 데이터를 읽어와야 하는 경우도 종종 있게 된다. 또한 연산을 처리 했다면 처리된 결과를 반환해준다. 인스트럭션이 다 끝났으면 그 다음 인스트럭션을 가져오기 위해 프로그램 카운터를 증가시킨다(보통은 4 byte 정도 증가시킨다).

이런 일련의 작업을 하던 중 Disk가 인터럽트를 걸었다고 생각해보자. 그러면 Interrupt Request Bit 한 비트를 설정을 한다. 이 비트가 걸려있으면 작업을 계속 돌지 않고 프로그램 카운터에 인터럽트 핸들러의 새로운 주소를 저장한다. 그리고 다시 진행을 해서 인스트럭션을 가져오면 이제 아까 저장했던 인스트럭션을 가져와 점프를 한 효과를 보게된다. 물론 이런 인터럽트가 걸리지 않게끔 설정할 수도 있다. 예를 들어 컴퓨터를 부팅할 때의 경우엔 Interrupt Request Bit 설정을 disable 시켜서 인터럽트 당하지 않게 만들 수 있다.

위의 경우는 디스크 하나만 인터럽트를 걸었을 경우에 대한 설명이었고, 아래 그림은 인터럽트를 거는 장치들이 많을 때의 상황을 설명한다.

여러개의 장치가 인터럽트를 거는 것을 통제하기 위해 Interrupt Controller라는 개념을 도입했다. 우리는 이런 Interrupt Controller를 PIC(Programmable Interrupt Controller)라고 부른다. 여기서 Programmable이 붙는 이유는 소프트웨어적으로 관리가 가능하기 때문에 프로그램이 가능하다는 뜻이 붙은 것이다.

17.2 PIC

PIC에서는 여러개의 장치들이 인터럽트 요청을 한다. 이때 이런 요청들을 한 장치들은 Interrupt Request Line(IRQ Line)에 연결이 된다. 이렇게 요청이 들어온 요청 라인들은 Mask Register을 통해서 0일 경우 차단이 되고 0이 아닐 경우엔 그 다음 단계로 통과가 된다. 이러한 Masking은 소프트웨어적으로 차단할 장치등을 설정할 수 있다. 그 후에Interrupt Request Register에서 Masking이 되지 않은 장치들만 요청을 할 수 있게 설정해 주는 단계를 처진다.

이렇게 설정이 된 요청들 중 우선순위가 제일 높은 요청을 Priority Register에서 받고 지금 인터럽트 요청이 진행 중 이라고In Service Register에 등록하고 INTR, 즉 CPU에게 인터럽트 요청을 한다. 이때 어떤 IRQ Line에서 요청이 들어온건지를 Vector에 넣어 보낸다. 그렇게 요청을 보내고 나서 CPU가 요청을 처리 했다는 ACK신호를 보낼 때 까지 다른 PIC와 장치들은 차단되어 있다. 이러한 요청 처리 단계를 위해 CPU는 빠르게 일들을 처리해 줘야 한다.

지금까지 설명한 요청 단계를 정리해 보면 위의 그림과 같이 나온다. PIC가 INTR과 Vector을 CPU에게 보내고 그럼 Interrupt Request Bit을 설정하고 그럼 그걸 본 CPU는 그 요청을 처리할 새로운 공간을 만들어 일들 처리후 ACK를 다시 PIC에게 보낸다. 이러는 동안 요청을 보낸 PIC은 ACK가 올때까지 다른 요청들을 차단하고 기다리고 있는다.

17.3 SMP & AMP

이번에는 여러개의 요청들이 멀티프로세싱 환경에서는 어떤 방법으로 처리되는지 알아보자.

먼저 CPU 2개가 있고 이 CPU가 bus에 달려있다고 하자. 그리고 모든 I/O 장치들은 multi APIC(Advanced Pic)에 달려있다. APIC이란 멀티 프로세서를 위한 PIC이다. 또 다른 APIC은 각각의 CPU에 달려있는데 이때의 조그만한 PIC들은 Local APIC이라 하며 여기에는 정기적으로 인터럽트를 걸어주는 Timer만 달려있다.

여기서 잠시 컴퓨터 구조에 대한 얘기를 해보자. CPU가 0000000~7777XXX번 메모리를 메모리 관리 유닛에게 보내면 위 그림의 좌측 Memory 쪽으로 달려간다. 그러나 7777XXX ~ 7777777번 메모리를 유닛에게 보내면 I/O Interface쪽으로 버스를 타고 달려가게 되어있다.

I/O 버스들에는 각각 I/O 장치들이 연결이 되어있는데 이런 장치들은 컴퓨터 뒤에 보면 있는 각종 연결장치, 즉 I/O Interface Card들로 연결이 되어있다. 이런 I/O Interface Card의 구조는 Address, Data와 보조 레지스터인 Control, Status 등으로 구성되어 있다. 그 외에 장치를 만든 회사 이름, 모델 아이디 등등이 들어있으며 어느 카드에 꽂혀있는 장치인지 등에 대한 정보도 들어있다. 이러한 인터페이스를 바탕으로 위 그림의 오른쪽 처럼 각종 장치들이 인터페이스 카드들에 연결이 되어 있는 것이다.

위 그림은 방금 설명한 과정을 SMP(Symmetric Multiprocessing), 즉 대칭형 멀티 프로세싱 방식에서 처리하는 과정을 나타내는 그림이다. SMP란 두 개 이상의 동일한 프로세서가 하나의 메모리, I/O 디바이스, 인터럽트 등의 자원을 공유하여 단일 시스템 버스를 통해 각각의 프로세서는 다른 프로그램을 실행하고 다른 데이터를 처리하는 시스템을 말한다.

즉, 두 개 이상의 프로세서가 하나의 컴퓨터 시스템을 공유하도록 연결되어 있으며, 각각의 프로세서가 독립적으로 자신의 작업을 처리하는 방식이다. 이러한 방식에서 디바이스가 I/O 인터페이스 카드에 연결이 되어 요청을 보내면 APIC이 받아 처리를 하는데 CPU간의 차이가 없는 대칭형이기 때문에 어느 CPU에 요청을 전달하는지는 다음과 같은 두 가지 방식을 사용한다.

첫번째 방식은 Static Distribution방식으로 정적으로 정해진 곳에 보낸다. 이 경우에는 이미 만들어진 Static Table을 통해 결정을 하게 된다.

두번째 방식은 Dynamic Distribution 방식으로 동적으로 결정을 하는데 이때 동적 IRQ 분배 알고리즘을 통해 보낼 곳을 정한다. 이 알고리즘의 목표는 우선순위가 제일 낮은 프로세스를 돌리고 있는 CPU에게 IRQ를 주는것이다.

그렇다면 프로세스를 실행하고 있는 경우에는 어떻게 처리를 해야 할까. 이를 해결 하기 위해 모든 프로세스에 카운터를 둔다. 이 카운터의 값이 가장 큰 CPU가 IRQ를 받게 되는데 이때 카운터를 0으로 낮춰주고 IRQ를 받지 않은 다른 모든 CPU의 카운터는 증가시킨다. 이렇게 카운터를 증가시킴으로서 나중에 어떤 CPU가 IRQ를 제일 적게 받아 제일 처리를 많이 안했는지 분별할 수 있는 척도로 사용을 하게된다.

그럼 이제 Asymmetric Multiprocessing(AMP), 비대칭형 멀티 프로세싱에선 어떤 방식을 사용하는지 알아보자. AMP란 두개 이상의 각각의 프로세서가 자신만의 다른 특정 기능을 수행하는 방식을 말한다.

예를 들어 하나의 프로세서가 메인 운영체제를 실행하도록 하고 다른 프로세서는 I/O 기능을 전용으로 수행하는 형식 등을 말한다. 이런 구조에서 IRQ를 처리하는 방식이 위 그림에 나와있다. 각각의 CPU가 다른 작업들을 하고있다. 이때 Master CPU는 본인만의 메모리를 가지고 있는데 여기 OS 커널이 들어있다.

즉, Master CPU만 I/O 인스트럭션을 가지고 있는 구조이기에 다른 CPU가 I/O를 하려면 Master CPU에게 신호를 보내야 한다. 이러한 주종 관계라는 간단한 구조 덕분에 디자인이 쉽다.

그러나 Master CPU에게 시스템 콜 요청이 많아지면 과부화가 쉽게 걸리며 Master CPU가 망가지면 아무것도 할 수 없기 때문에 문제가 생긴다. 과거에는 AMP 방식만 사용하다 처리 방식이 발전이 되어 SMP로 바뀌었다.

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Timer와 장치들의 인터럽트 및 처리방법에 대해 공부하였다.

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