인터럽트란? 개념과 작동 원리

인터럽트 개념과 작동 원리

인터럽트는 CPU가 명령을 순차적으로 실행하는 도중에 예기치 않은 사건이나 외부 요청이 발생하면 현재 실행 중인 문맥을 보존하고 우선 해당 사건을 처리하도록 제어 흐름을 전환하는 시스템적 메커니즘입니다.

 

이 과정에는 인터럽트 신호의 발생, 인터럽트 컨트롤러의 수신, CPU의 문맥 저장, 인터럽트 서비스 루틴(ISR) 호출, 처리 완료 후 문맥 복원 및 원래 프로그램으로 복귀하는 일련의 단계가 포함됩니다. 인터럽트는 폴링 방식과 대조되며, 필요 시에만 CPU의 주의를 환기시켜 자원 낭비를 줄이고 응답성을 향상시키는 장점이 있습니다.

 

인터럽트 처리는 하드웨어 레벨과 소프트웨어 레벨이 협력하여 이루어집니다. 하드웨어는 특정 신호를 인터럽트 컨트롤러에 전달하고, 컨트롤러는 우선순위 및 마스킹 정보를 관리합니다. 그다음 CPU는 현재 레지스터 값과 프로그램 카운터를 저장하고 해당 벡터에 연결된 핸들러로 점프하여 빠르게 사건을 처리합니다. 핸들러가 종료되면 저장된 문맥을 복원하여 정상적으로 실행을 재개합니다.

 

인터럽트 벡터 테이블은 각 인터럽트 번호에 대응하는 서비스 루틴의 주소를 보관하며, 프로세서 아키텍처는 이를 조회하여 적절한 핸들러로 분기합니다. 문맥 저장은 레지스터, 상태 레지스터, 프로그램 카운터 등을 포함하며, 문맥 전환 오버헤드는 시스템 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

 

따라서 일부 아키텍처는 하드웨어 레벨의 빠른 문맥 저장 기능을 제공하거나, 핸들러 실행 중 필요 최소한의 문맥만 저장하는 방식을 채택합니다.

인터럽트의 활용 사례와 종류

인터럽트는 입출력 장치 반응, 오류 신호 통지, 시스템 타이머에 의한 스케줄링, 네트워크 패킷 도착 통지 등 다양한 영역에서 활용됩니다. 예컨대 키보드 입력, 마우스 이벤트, 디스크 I/O 완료, 네트워크 수신 등은 모두 하드웨어 인터럽트로 처리되며, 시스템 콜이나 예외(condition) 발생과 같은 이벤트는 소프트웨어 인터럽트 또는 시그널 메커니즘으로 분류됩니다.

 

대용량 데이터 전송 시 CPU 부하를 줄이기 위해 DMA(Direct Memory Access)를 사용하면 장치가 메모리로 직접 데이터를 전송하고 완료 시 인터럽트를 발생시켜 CPU에 통지합니다.

 

네트워크 환경에서는 인터럽트 빈도를 줄이고 오버헤드를 완화하기 위해 인터럽트 코얼리싱(interrupt coalescing) 및 오프로드 기법을 사용합니다. 또한 다중 코어 시스템에서는 RSS(Receive Side Scaling) 등을 통해 인터럽트를 여러 코어로 분산하여 성능을 향상시킵니다.

 

인터럽트의 분류는 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 단순화되지만, 운영체제 관점에서는 동기적 예외와 비동기적 인터럽트, 타이머 인터럽트, 외부 장치 인터럽트 등으로 세분화할 수 있습니다. 임베디드 시스템에서는 타이머 인터럽트를 이용한 정기 작업 스케줄링, 절전 모드에서의 웨이크업 등이 중요하며, 실시간 시스템에서는 레이턴시 보장이 핵심 요구사항입니다.

인터럽트의 의의와 중요성

인터럽트는 시스템의 응답성과 효율을 좌우하는 중앙 개념입니다. 적절한 우선순위 관리, 마스킹 정책, 중첩 허용 설정 등을 통해 중요한 이벤트가 즉시 처리되도록 보장할 수 있습니다. 반면 인터럽트 빈도가 과도하거나 ISR 내 연산이 복잡하면 문맥 교환 오버헤드 증가로 전체 성능이 저하될 수 있으므로 밸런스 있는 설계가 필요합니다.

 

ISR은 짧고 결정적인 연산만 수행하고 복잡한 후속 처리는 디퍼드 컨텍스트(예: DPC, softirq, workqueue 등)로 이관하는 패턴이 권장됩니다.

 

이렇게 하면 긴 연산이 시스템 응답성을 저해하지 않으면서 필요한 처리를 비동기적으로 완료할 수 있습니다. 또한 ISR 내에서 공유 자원 접근은 적절한 동기화 기법으로 보호해야 하며, 우선순위 역전(priority inversion) 등의 문제를 예측하고 대책을 세워야 합니다.

 

 

실시간 시스템 설계자는 인터럽트 레이턴시와 최대 응답 시간을 엄격히 분석하고 하드웨어 지원 기능(APIC, PIC, 하드웨어 우선순위 등)을 활용하여 타이밍 요구를 충족시켜야 합니다. 디버깅에서는 타이밍 로그, 성능 카운터, 로직 아날라이저를 활용하여 인터럽트 신호의 시퀀스와 빈도를 측정하고 병목을 진단합니다.

 

보안 측면에서도 인터럽트 핸들러의 정확성은 중요합니다. 잘못된 입력 검증이나 권한 체크 누락은 시스템 무결성 침해로 이어질 수 있으며, 악성 인터럽트 유발 행위는 서비스 거부(DoS) 상태를 초래할 수 있습니다. 따라서 권한 검증, 리소스 제한, 비정상 빈도 탐지 등을 통해 인터럽트 관련 공격을 완화해야 합니다.

 

우선순위 역전(priority inversion)은 낮은 우선순위 태스크가 공유 자원을 점유한 상태에서 높은 우선순위 태스크가 대기하게 되면 중간 우선순위 태스크가 CPU를 점유함으로써 높은 우선순위 태스크의 진행이 지연되는 문제입니다.

 

이를 해결하기 위해 우선순위 상승(priority inheritance)이나 우선순위 천장(priority ceiling) 같은 기법을 도입하여 임계 구역 내 태스크의 우선순위를 일시적으로 상승시킴으로써 문제를 완화합니다. 임베디드와 실시간 응용에서는 이러한 동기화 문제가 치명적이므로 철저한 분석과 검증이 필수입니다.

 

하드웨어 측면에서는 전통적인 PIC에서 APIC로의 진화, 그리고 PCIe 환경에서의 MSI/MSI-X 같은 메시지 기반 인터럽트 도입이 중요한 변화였습니다. 메시지 기반 인터럽트는 전통적 핀 기반 인터럽트의 한계를 극복하고 멀티코어 환경에서 인터럽트를 효율적으로 분산할 수 있는 수단을 제공합니다.

 

 

가상화 환경에서는 호스트와 게스트 간 인터럽트가 가상화 계층을 통해 중계되므로 가상 인터럽트 관리(vAPIC, vIRQ 등)가 성능과 응답성에 중요한 영향을 미칩니다.

 

성능 계측을 위해 CPU 사이클 카운터(RDTSC 등), 운영체제의 트레이싱 도구(ftrace, perf), 하드웨어 성능 카운터를 활용하여 인터럽트 핸들러의 실행 시간, 문맥 전환 비용, 인터럽트 빈도 및 핵심 병목을 정량적으로 측정하는 것이 권장됩니다.

 

네트워크 패킷 처리와 같이 고빈도 인터럽트가 문제되는 영역에서는 인터럽트 코얼리싱, 넷카드 오프로드, 패킷 버퍼링 전략을 적용하여 CPU 오버헤드를 감소시킵니다.

 

다음은 단순화한 의사코드의 예입니다. 실제 환경에서는 아키텍처와 운영체제에 따라 차이가 있음을 유의해야 합니다.

// 의사코드: 인터럽트 서비스 루틴
void ISR_Handler(void) {
    // 최소한의 문맥 보존은 하드웨어가 자동으로 하거나 초기 부분에서 수행
    uint32_t status = READ_DEVICE_STATUS();
    ACK_INTERRUPT(); // 장치에 응답
    enqueue_work_for_deferred_processing(status); // 긴 처리는 후속 컨텍스트로 이관
    return_from_interrupt(); // 문맥 복원 및 복귀
}

 

실무에서는 위와 같은 패턴을 엄격히 적용하여 ISR은 가능한 한 짧게 유지하고, 상세 처리는 작업 큐나 커널 스레드, 사용자 레벨 서비스 등으로 위임합니다. 또한 테스트 및 프로파일링을 자동화하여 인터럽트 부하 시 시스템 거동을 지속적으로 모니터링하는 체계를 갖추는 것이 바람직합니다.

 

 

 

결론적으로 인터럽트는 운영체제와 하드웨어를 잇는 핵심 연결고리로서 시스템의 반응성, 효율성, 신뢰성을 향상시키는 중요한 수단입니다. 적절한 설계와 성능 분석이 수반될 때 인터럽트 기반 구조는 다양한 응용 영역에서 강력한 도구가 되며, 오남용이나 부적절한 구성은 성능 문제와 보안 취약점을 초래할 수 있으므로 주의 깊은 설계가 필요합니다.