10 장 . 인터럽트

10 장 . 인터럽트

Lecture #10

컴퓨터 구조론 2

10.1 인터럽트의 필요성 (1)

인터럽트와 인터럽트 요청 프로그램을 수행 중 응급상태가 발생할 경우 중앙처리장치는

긴급처리를 위해 현재 처리하던 프로그램을 중단하게 되며 이를 중앙처리장치는 인터럽트 당했다고 함 .

응급상태가 발생했음을 중앙처리장치에게 알리는 것을 인터럽트 요청이라 한다 .

인터럽트의 발생원인 기계적인 문제 . 프로그램 상의 문제 . 컴퓨터 조작자의 의도적인 조작에 의한 중단 . 입출력 장치들의 동작에 CPU 의 기능이 요청되는 경우 .


10.1 인터럽트의 필요성 (2)

인터럽트의 형태 외부 인터럽트

외부 요인 ( 전원 , 입출력 장치 , 타이밍 장치 등 ) 으로 발생 . 비동기성 . 프로그램과 별도의 상황에서 일어남 .

내부 인터럽트 불법적인 명령어나 데이터를 사용할 때 발생 ( 트랩 ). 동기성 . 프로그램 자체 내에서 발생 .

소프트웨어 인터럽트 명령어의 실행에 의해 발생 .(call 명령어 )


10.2 인터럽트 체제와 동작 원리 (1)

인터럽트 체제 및 동작 원리 기본적인 요소

인터럽트 요청 신호 인터럽트 처리 기능 인터럽트 취급 루틴



인터럽트 체제 및 동작 원리 중앙 처리 장치가 인터럽트 요청 시 처리 순서

① 현재 수행중인 명령어를 완료 .② PC 에 기억되어 있는 주소를 안전한 곳에 보존 .③ 수행이 중단된 프로그램의 상태를 안전한 기억장소에 보존 한

후에 인터럽트에 대한 조치를 취한다 .④ 인터럽트 원인이 무엇인가를 찾아내어 해당되는 인터럽트의

취급루틴을 수행시킨다 .⑤ 보존시킨 PC 의 값과 프로그램의 상태를 복구하여 인터럽트

당한 프로그램을 중단된 곳에서부터 다시 계속하여 수행되도록 한다 .



인터럽트 요청 인터럽트 요청 회선의 연결 방법

단일회선방법 인터럽트 요청이 가능한 모든 장치를 공통으로 중앙처리장치에 연결 한 개의 회선에 여러 개의 장치가 인터럽트를 요청했는지를 판별해

주는 기능 필요

....

인터럽트 요청 회선

(a) 단일회선

CPU

인터페이스 장치 인터페이스 장치 인터페이스 장치



인터럽트 요청 회선의 연결 방법 다중회선방법

각 장치에 고유의 회선이 있다 . 모든 장치들이 서로 다른 중앙 처리 장치의 인터럽트 요청 신호

회선들과 연결되어 있으므로 원인을 바로 판별할 수 있다 .

....

(b) 다중회선

CPU




인터럽트 요청 회선의 연결 방법 혼합회선방법

단일회선방법과 다중회선방식을 혼합 .

....

(c) 혼합회선

....

CPU





단일 회선 인터럽트 체제 인터럽트 처리를 위한 논리 회로의 기능

플래그 D(demand) : 인터럽트 요청 준비가 되어 있음을 나타냄 . 플래그 IRQ(interrupt request) : 인터럽트 요청 여부를 나타냄 . 디코더 : 장치 번호 .

인터럽트 허용 회선


(폴링 Polling

. . .

IRQ

D

장치 번호

디코더

DONE

0인터럽트

. . .

리세트

세트

IE

RI

) 회선

IRQ

D

장치 번호

디코더

n- 1인터럽트

인터럽트 인식 회선

DONE



단일 회선 인터럽트 체제 처리 순서

① 중앙처리장치는 모든 장치에 인터럽트 허용 신호를 보낸다 . ② 인터럽트가 필요한 상태이면 D 플래그를 1 로 세트하며 플래그 IRQ 로 전달③ IRQ 는 중앙처리장치로 인터럽트 요청 신호를 보냄 : 인터럽트가 허용된 상태일

때 .④ 플래그 RI 는 1 로 세트되고 , 플래그 RI 를 조사하여 1 의 상태이면 하여

인터럽트 메이저 상태로 전환되어 인터럽트 처리를 하고 , 0 의 상태이면 수행 중이던 프로그램이 계속 진행된다 .

⑤ 인터럽트 요청을 받은 중앙 처리 장치는 폴링 회선을 통하여 장치 번호를 내보낸다 .

⑥ 인터럽트를 요청한 장치는 폴링 회선의 장치 번호에 의하여 디코더의 값이 1로 되는데 , 이 값에 의하여 DONE 신호가 중앙 처리 장치에 전달 .

⑦ DONE 신호에 의하여 플래그 D 와 IRQ 는 리세트 : 더 이상 인터럽트 요청을 발생하지 못하도록 하기 위해 .

⑧ 플래그 RI 값도 리세트 : 새로운 인터럽트 요청 신호를 받을 수 있도록 하기 위해 .



단일 회선 인터럽트 체제 다중 회선 인터럽트 논리회로

IRQ

D

. .

. .


인터럽트 인식 회선


RI

CPU

세트

리세트

세트

리세트

0인터럽트

IE

IRQ(0)

IRQ(n- 1)

. . .IRQ

D

(n- 1)인터럽트



다중 회선 인터럽트 체제 처리 순서

① 인터럽트 요청 장치에 의하여 플래그 D 가 1 로 세트 . ② 인터럽트가 가능한 상태이면 플래그 IRQ 가 1 로 세트된 인터럽트

요청 장치들은 중앙 처리 장치에 인터럽트를 요청 . ③ 요청 신호를 받은 중앙 처리 장치는 레지스터 RI 의 해당되는

비트를 1 로 세트함 .④ RI 의 비트가 1 인 비트가 있으면 인터럽트 메이저 상태로

전환되어 인터럽트의 원인에 따라 처리를 하며 , 0 이면 계속하여 진행 중이던 프로그램을 수행 .

⑤ 인터럽트 요청 장치에게 인터럽트가 처리될 것이라는 알림과 동시에 , 플래그 D 와 IRQ 를 리세트 한다 .



인터럽트 처리 인터럽트 메이저 상태

중앙 처리 장치가 인터럽트를 준비하는 상태 프로그램 카운터에 기억된 주소를 지정된 장소에 보존 . 인터럽트의 원인을 판별하여 , 해당되는 인터럽트 취급 루틴의 수행을 시작시킴 .

인터럽트 처리 루틴 단일 회선 인터럽트 체제에서 인터럽트의 원인을 판별해주는 기능을 구현한

소프트웨어 . 인터럽트 원인 판별과 인터럽트 취급 루틴의 수행을 시작시키는 작업까지

처리 . 단일회선 인터럽트 체제에서는 인터럽트 처리를 위해 인터럽트 처리루틴

(IPR : interrupt processing routine) 과 인터럽트 취급루틴 (ISR : interrupt service routine) 의 두 단계 소프트웨어가 필요 .



단일회선 인터럽트 체제 인터럽트 처리루틴 시작 : 인터럽트가 요청되면 PC 의 내용을 주소

0 에 보존시킨 다음 PC 에 1 을 기억시키고 인출메이저 상태로 들어감

인터럽트 처리 루틴이 수행되는 동안 인터럽트는 요청 불능 상태 실제로 명령어 세트에는 선택적으로 인터럽트 요청 가능 (enable int

errupt : EI) 이나 불능 (disable interrupt : DI) 으로 하는 명령어를 포함하고 있다 .

인터럽트의 처리 루틴의 기능 인터럽트 불능 명령어를 실행 ( 다른 장치가 인터럽트 요청을 못하도록 ) 인터럽트의 원인을 판별한다 . 해당하는 인터럽트 취급 루틴의 수행을 시작시킨다 .

인터럽트 원인 판별 방법 소프트웨어에 의한 방식 하드웨어에 의한 방식



단일회선 인터럽트 체제 소프트웨어에 의한 방식

폴링 (polling) : 어느 장치가 인터럽트를 요청하였는가를 하나씩 차례대로 확인하는 것 .

한 개 이상의 장치가 인터럽트를 요청할 경우 : 플래그 RI 값이 1로 세트됨 .

인터럽트 원인을 판별하기 위하여 인터럽트를 요청하는 장치에 장치 번호를 부여하고 , 중앙 처리 장치로 DONE 신호를 보내어 확인이 이루어짐 .

폴링에 의한 방식은 정해진 순서대로 장치 번호를 보내는 관계로 처음으로 DONE 신호가 1 인 장치 하나만 인식이 되고 폴링을 중단하게 되어 인터럽트를 요청한 다른 장치들은 인식된 인터럽트의 처리가 완료될 때까지는 그 장치들의 인식은 되지 않는다 .



단일회선 인터럽트 체제 소프트웨어에 의한 방식

소프트웨어 방식에 의한 인터럽트 원인 판별

YES

YES

PC 주소 보존

장치 0DONE = 1

인터럽트처리루틴

NO

0 장치 인터럽트 취급 루틴 수행

상태복귀

YES 1DONE = 1

1 장치 인터럽트 취급 루틴 수행

상태복귀

YES n- 1 장치 인터럽트 취급 루틴 수행

상태복귀

n- 1장치DONE = 1

장치

NO?인터럽트

명령어 실행



단일회선 인터럽트 체제 하드웨어에 의한 방식

처리 순서 : 인터럽트 요청 신호를 받으면 중앙 처리 장치의 플래그 RI 과 IE 가 1 로 세트되고 , 중앙 처리 장치는 수행 중이던 명령어의 실행을 완료한 다음 모든 인터럽트 요청 장치로 인터럽트 확인 신호 (interrupt acknowledge : INTACK) 를 보낸다 .

인터럽트를 발생한 장치는 자신의 장치 번호를 중앙처리 장치로 보내어 원인을 판별 .

필요한 장치 폴링 회선 → 장치 번호 버스 장치 번호 디코더 → 장치 번호 발생기 회로 ( 각 장치에 부여된 고유

번호를 발생하는 회로 ) 인터럽트 인식 회선 → 인터럽트 확인 회선 ( 인터럽트를 요청받은

중앙처리 장치가 인터럽트 원인을 판별하기 위해 인터럽트 요청 장치로 인터럽트 확인 신호를 보내는 신호 )

데이지 체인 (daisy chain) 방식 사용 – 중앙 처리 장치에 가까운 순서대로 인터럽트 우선 순위가 결정



단일회선 인터럽트 체제 하드웨어에 의한 방식

하드웨어 방식에 의한 인터럽트 원인 판별

RI

IE

세트

IRQ

D

장치 번호발생기

IRQ

D




장치 번호 버스

DONEDONE

인터럽트 확인 회선

0인터럽트 1인터럽트

INTACK . . .



다중회선 인터럽트 체제 인터럽트의 원인이 하드웨어에 의하여 판별되므로 인터럽트 처리

루틴이 필요하지 않으며 , PC 의 주소를 보존하고 해당하는 인터럽트의 취급루틴의 수행을 시작시키면 된다 .

인터럽트 벡터 (interrupt vector : IV) 사용 인터럽트 취급 루틴의 시작 주소를 구하는 방법 .

각 인터럽트 취급 루틴으로 직접 분기하는 명령어들로 구성된 인터럽트 벡터표 (interrupt vector table) 가 주 기억 장치에 구현됨 .

PC 주소 보존JMP ISR 0

PC 주소 보존JMP ISR 1

PC 주소 보존JMP ISR n-1

IVA + 0

IVA + 1×2

IVA + (n-1) ×2

[ 인터럽트 벡터 표 ]



인터럽트 취급 루틴 인터럽트 처리 루틴의 기능

인터럽트 당한 프로그램이 처리가 중단된 곳에서 인터럽트를 수행하고 난 후 복구되었을 때 정상적인 수행을 계속하는데 필요한 프로그램 상태를 안전한 곳에 기억시켜 보존한다 .

중첩된 (nested) 인터럽트가 가능한 경우에는 인터럽트 가능 혹은 불능을 선별적으로 정해준다 .

인터럽트에 취급 루틴 수행 . 보존된 프로그램의 상태를 복구하고 중단된 프로그램의 수행을

계속되도록 한다 .


프로그램 상태의 보존 프로그램 상태어 (PSW)

현재 수행 중이던 프로그램의 PC 와 플래그의 내용 , 데이터 레지스터와 주소 레지스터들의 상태 등이 포함됨 .

프로그램 상태 레지스터 프로그램 상태어를 기억시킨 레지스터 . 1 개뿐이므로 수행 중인 프로그램만이 사용할 수 있다 .

PC 의 내용 보존 인터럽트 취급루틴 수행이 완료되면 기억시킨 PC 내용을 이용하여

중단된 프로그램의 수행을 계속할 수 있게 한다 .

[ 중첩 인터럽트가 가능한인터럽트 체계 ]




레지스터와 플래그의 상태 보존 프로그램의 올바른 제어를 위해 필요 내용이 변경된 레지스터와 플러그 상태 보존 인터럽트 취급 루틴을 수행할 때 레지스터나 플래그의 내용을 해당

루틴의 안전한 장소에 보존하였다가 수행이 완료되어 중단한 프로그램을 시작하기 전에 보존된 내용들을 복구시켜 준다 .

PC 를 포함하여 레지스터와 플래그를 보존하는 방법 인터럽트 취급 루틴 내에 기억시키는 방법 : PC 를 포함하여 인터럽트 취급

루틴에서 사용되는 레지스터나 플래그 내용도 인터럽트 취급 루틴 내 저장 주 기억 장치의 특정 영역인 스택을 이용하는 방법 : 주 기억장치 내의 특정영역에 설정된 스택을 이용 . 중첩 인터럽트 처리에 효율적

레지스터 세트를 별도로 두는 방법 : 중앙처리 장치 내에 여러 개 레지스터 세트를 구성하고 인터럽트 취급 루틴의 수행이 필요하게 되면 레지스터 세트를 할당하여 사용 .



주 프

로그

램 P

C 36

JMP 100

INT A

PC

127

JMP 200

IVA IVA+1 IVA+2 IVA+3 35 36 100 126 127 200

INT A

프로

그램

상태

보존

주 프

로그

램 상

태 보

존

인터럽트 벡터 주 프로그램 INT A 취급 루틴 INT B 취급 루틴

INT A 요청 INT B 요청

[ 스택을 이용한 프로그램 상태 보존 ]

POP PUSH

INTA

상태

INTA

PC

127

주

프로

그램

상태

PC

36

주프

로그

램

[ 인터럽트 벡터 방식에서 프로그램 상태 보존 ]


인터럽트 요청의 중첩 인터럽트의 취급 루틴의 수행이 시작되어 인터럽트 당한

프로그램의 상태 보존 작업이 끝날 때까지는 다른 인터럽트가 허용되어서는 안 됨 .

인터럽트를 허용하지 않는 방법 중앙 처리 장치가 인터럽트 허용 회선을 인터럽트 장치에

선택적으로 보내지 않음 . 중앙 처리 장치에 의하여 인터럽트 논리 회로에 있는 플래그 D 가

세트되어도 플래그 IRQ 가 세트되지 않도록 하는 것 . ( 인터럽트 마스크 회선으로 제어 )




[ 인터럽트 마스크가 추가된 인터럽트 논리 회로 ]

IRQ

D

장치 번호디코더

DONE

IRQ

D

장치 번호디코더

DONE

0인터럽트 1인터럽트

인터럽트인식회선CPU

IE

RI

인터럽트 마스크 회선


인터럽트 번호 회선


INT MASKRegister


프로그램의 상태 복구 복구 작업이 이루어지는 과정 중에도 인터럽트를

받아들여서는 안 되므로 인터럽트의 발생이 방지되어야 한다 . PC 를 포함한 프로그램 상태를 보존하는 방법에 따라 다르다 . 주 기억 장치의 주소 0 에 PC 를 보존하는 경우

① 인터럽트 취급 루틴 내에 보존한 플래그와 레지스터들의 값을 원래의 플래그와 레지스터로 환원시키는 명령어 LD(load) 를 실행하여 복귀시킨다 .

② 서브루틴의 복귀 명령어와 유사한 명령어 REI(return interrupt) 를 실행하여 인터럽트 취급 루틴의 시작 주소로 분기함으로써 그곳에 보존된 PC 의 값을 환원시키면 된다 .



10.3 우선 순위 인터럽트 체제 (1)

인터럽트 우선 순위 (Interrupt Priority) 두 개 이상의 인터럽트가 발생하는 경우에 인터럽트를

처리하는 순서를 정하는 것 . 근착 우선 처리 (last come first serve : LCFS) : 가장 최근에

인터럽트를 요청한 장치가 최고 우선 순위 . 선착 우선 처리 (first come first serve : FCFS) : 제일 먼저

인터럽트를 요청한 장치가 최고 우선순위 . 인터럽트의 우선 순위 체제를 실행시 필요한 기본 기능

각 장치에 우선 순위를 부여하는 기능 . 인터럽트를 요청한 장치의 우선 순위를 판별하는 기능 . 우선 순위가 높은 장치를 먼저 처리할 수 있는 기능 .



단일 회선 인터럽트 체제의 우선 순위 소프트웨어에 의한 우선 순위

일차적인 우선순위는 인터럽트의 원인을 판별할 때 사용되는 폴링 순서이다 .

소프트웨어에 의한 우선 순위 체제의 세 가지 특성 프로그램으로 결정하므로 우선 순위에 융통성이 있다 . 우선 순위 설정을 위한 하드웨어가 없으므로 경제적이다 . 폴링 방법을 이용하여 가장 높은 우순 순위의 장치부터 차례로 검사하므로 많은 시간이 걸려 인터럽트 반응 속도가 느리므로 실시간 처리 시스템에서는 적합하지 않다 .



하드웨어에 의한 우선 순위 하드웨어에 의한 우선 순위 설정 방법

인터럽트 요청 체인 (interrupt request chain) : 우선 순위 등급이 높은 장치가 인터럽트를 요청할 때 , 등급이 낮은 장치는 인터럽트 요청을 할 수 없도록 하는 방법 .

인터럽트 우선 순위 체인 (interrupt priority chain) : 우선 순위가 가장 높은 장치만 장치 번호 버스를 사용하고 , 우선 순위가 낮은 장치들은 인터럽트를 요청했지만 장치 번호 버스의 사용을 금지시키는 방법의 기능 .

인터럽트 우선 순위 체인 체제는 인터럽트 요청 체인보다 인터럽트 반응 속도가 빠르고 , 인터럽트 처리 과정 및 가장 높은 우선 순위의 인터럽트를 요청한 장치를 판별하는 과정이 간단하다 .



[ 인터럽트 요청 체인 ]

인터럽트 확인 회선 0인터럽트 1인터럽트

. . .

IRQ

D


DONE

IRQ

D


DONE

인터럽트 확인 회선

. . .



장치 번호 버스

. . .

INTACK

RI

IE

세트



다중 회선 인터럽트 체제의 우선 순위 다중회선 인터럽트 체제에서는 하드웨어에 의하여 인터럽트원인이

판별됨에 따라서 우선순위도 하드웨어에 의하여 설정되어야 한다 . RI 의 각 비트는 서로 다른 장치의 인터럽트의 요청을 나타냄 . 인터럽트 레지스터와 장치번호

장치 0 > 장치 1 > ….. 장치 I > 장치 (i+1)>….

0

0

1 2

1 2

RI

장치 번호

n-1

n-1



우선 순위를 설정하기 위해 구현되어야 할 두 가지 . 요청된 인터럽트 중 가장 높은 등급을 가진 장치를 선정하여 선정된

우선 순위를 레지스터 인터럽트 번호 레지스터 (CR) 에 기억시키고 인터럽트 취급 루틴을 수행 .

임의의 인터럽트를 처리하고 있을 때 인터럽트 요청이 발생한 경우 인터럽트 중에서 가장 높은 등급을 가진 장치를 선정하여 CR 의 값과 새로 선정된 우선 순위를 비교한다 . 현재 처리 중인 인터럽트의 우선 순위가 높으면 수행을 계속하나 새로 선정된 인터럽트의 우선 순위가 높으면 새로 선정된 우선 순위를 레지스터 CR 에 기억시킨 다음 , 새로 선정된 인터럽트의 취급 루틴을 수행시킨다 .

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