Embedded 펌웨어 개발의 핵심, 인터럽트(Interrupt) 동작 원리

펌웨어 엔지니어에게 인터럽트란?

임베디드 시스템에서 CPU는 주변 장치(센서, 버튼, 통신 모듈 등)와 끊임없이 상호작용합니다. 이때 CPU가 주변 장치의 상태를 확인하기 위해 계속 기다릴 것인지, 아니면 다른 일을 하다가 신호가 왔을 때만 반응할 것인지는 시스템의 효율성을 결정짓는 매우 중요한 문제입니다.

인터럽트는 말 그대로 CPU의 정상적인 실행 흐름을 '방해(Interrupt)'하여 긴급한 일을 먼저 처리하게 만드는 메커니즘입니다. 펌웨어 코딩의 절반은 인터럽트를 적절히 설정하고 관리하는 것이라고 해도 과언이 아닙니다. 본 포스팅에서는 인터럽트의 기본 개념부터 내부 동작 메커니즘, 그리고 실무 적용 시 주의사항까지 상세히 알아보겠습니다.

 

1. 인터럽트(Interrupt) vs 폴링(Polling)

인터럽트를 이해하기 위해 가장 먼저 비교해야 할 개념이 '폴링'입니다.

1.1. 폴링(Polling): 무한 대기 방식

폴링은 CPU가 직접 루프를 돌며 주변 장치의 상태를 주기적으로 체크하는 방식입니다.

• 비유: 택배가 올 때까지 5분마다 현관문을 열어 확인하는 것과 같습니다.
• 단점: 상태가 변하지 않았음에도 CPU 자원을 계속 소모하므로 전력 효율이 낮고 다른 작업을 수행하기 어렵습니다.

1.2. 인터럽트(Interrupt): 이벤트 알림 방식

인터럽트는 주변 장치가 CPU에게 "나 데이터 준비됐어!"라고 신호를 보내는 방식입니다.

• 비유: 택배 기사님이 초인종을 누를 때까지 방에서 공부(다른 작업)를 하다가, 벨이 울리면 나가서 택배를 받는 것과 같습니다.
• 장점: CPU 효율과 응답 속도가 비약적으로 향상됩니다.

 

2. 인터럽트의 내부 동작 과정 (Step-by-Step)

CPU가 인터럽트 신호를 받았을 때, 내부적으로는 매우 정교한 과정이 일어납니다.

Step 1. 인터럽트 요청(IRQ) 발생

외부 버튼 클릭이나 타이머 완료 등의 이벤트가 발생하면 하드웨어 라인을 통해 CPU에 인터럽트 요청 신호가 전달됩니다.

Step 2. 컨텍스트 저장(Context Save)

CPU는 현재 수행 중이던 작업으로 나중에 다시 돌아와야 합니다. 따라서 현재의 레지스터 값(PC, 상태 레지스터 등)을 스택(Stack) 메모리에 안전하게 저장합니다. 이를 '컨텍스트 백업'이라고 합니다.

Step 3. 인터럽트 벡터 테이블(IVT) 참조

CPU는 발생한 인터럽트가 어떤 종류인지 파악합니다. 그리고 메모리에 미리 정의된 인터럽트 벡터 테이블을 찾아가 해당 인터럽트를 처리할 함수의 주소(Pointer)를 가져옵니다.

Step 4. 인터럽트 서비스 루틴(ISR) 실행

실제 이벤트에 대응하는 코드인 ISR이 실행됩니다. 예를 들어 "버튼이 눌렸으니 LED를 켜라"는 코드가 여기서 수행됩니다.

Step 5. 컨텍스트 복원 및 복귀(Context Restore)

ISR이 종료되면 스택에 저장해두었던 이전 레지스터 값들을 다시 불러옵니다. CPU는 방해받기 전의 작업 지점으로 돌아가 아무 일도 없었다는 듯이 원래 작업을 이어갑니다.

 

3. 인터럽트의 종류: 하드웨어 vs 소프트웨어

• 하드웨어 인터럽트: 외부 핀에 전기 신호가 들어오거나(External), 타이머/UART 같은 내부 주변 장치에서 발생하는 인터럽트입니다.
• 소프트웨어 인터럽트: 프로그램 실행 중 예외 상황(0으로 나누기, 잘못된 메모리 접근)이 발생하거나, 시스템 콜(System Call)을 호출할 때 발생합니다. 이를 흔히 트랩(Trap) 또는 예외(Exception)라고도 부릅니다.

 

4. 실무 펌웨어 개발 시 고려해야 할 핵심 포인트

회사에서 실제 코드를 작성할 때 다음 원칙을 지키지 않으면 시스템이 멈추거나 예측 불가능한 버그가 발생할 수 있습니다.

4.1. ISR은 최대한 짧고 간결하게!

ISR이 실행되는 동안에는 (우선순위에 따라 다르지만) 다른 인터럽트가 차단될 수 있습니다. ISR 내부에서 printf를 쓰거나 긴 루프를 돌리는 것은 금물입니다. 중요한 데이터만 메모리에 기록하고, 실제 복잡한 처리는 메인 루프에서 하도록 설계해야 합니다.

4.2. 재진입성(Reentrancy)과 원자성(Atomicity)

메인 루프와 ISR이 같은 변수를 공유할 때 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 32비트 변수값을 읽는 도중에 인터럽트가 발생해 값이 변해버리면 잘못된 데이터를 읽게 됩니다. 이런 경우 인터럽트를 잠시 끄거나(Critical Section) volatile 키워드를 적절히 사용해야 합니다.

4.3. 인터럽트 우선순위(Priority) 설계

여러 인터럽트가 동시에 터질 때 무엇을 먼저 처리할지 결정해야 합니다. 긴급한 안전 장치 인터럽트는 통신 인터럽트보다 높은 순위를 주어야 합니다.

 

하드웨어 제어의 진정한 시작

인터럽트를 완벽히 이해하고 제어할 수 있게 되면, 여러분은 단순한 코더를 넘어 시스템 전체의 흐름을 설계하는 펌웨어 엔지니어로 성장하게 됩니다. 실무 환경에서는 데이터 시트의 'Interrupt Controller' 섹션을 가장 먼저 분석하는 습관을 들이는 것이 좋습니다.

다음 포스팅에서는 인터럽트와 찰떡궁합인 '통신 프로토콜(UART, I2C, SPI)'에 대해 다뤄보겠습니다.