I/O 인터럽트 구조(Interrupt-driven I/O)

개요

I/O 인터럽트(Interrupt)는 CPU가 입출력 장치의 동작 완료를 기다리지 않고, 다른 작업을 수행하다가 입출력 장치에서 신호가 오면 해당 처리를 수행하는 방식입니다. 이는 바쁜 CPU 자원의 낭비를 줄이고, 입출력 지연 시간을 숨길 수 있어 현대 운영체제에서 필수적인 비동기적 I/O 처리 기법입니다. 본 글에서는 I/O 인터럽트의 구조, 동작 원리, 장치 컨트롤러와의 관계, 인터럽트 처리 절차 및 실무 활용을 체계적으로 설명합니다.

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1. 개념 및 정의

항목	설명
인터럽트(Interrupt)	외부 또는 내부 장치에서 발생한 이벤트를 CPU에 알리는 신호
I/O 인터럽트	I/O 장치(예: 키보드, 디스크, NIC 등)에서 작업 완료 후 CPU에 처리 요청
폴링(Polling) 방식과 차이	CPU가 반복적으로 상태를 확인하는 대신, 인터럽트는 이벤트 중심으로 동작

인터럽트 기반 I/O는 반응성과 자원 효율 측면에서 매우 우수한 구조입니다.

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2. I/O 인터럽트 처리 흐름

단계	설명
1단계	I/O 장치에서 작업 완료 → 인터럽트 신호 발생
2단계	인터럽트 컨트롤러가 CPU에 신호 전달 (INTx 라인)
3단계	CPU는 현재 작업을 중단(Save Context)하고 ISR(Interrupt Service Routine) 진입
4단계	ISR에서 I/O 데이터 처리 또는 버퍼링 수행
5단계	인터럽트 처리 완료 → 이전 상태 복원 후 작업 재개

CPU는 인터럽트 우선순위와 벡터 테이블을 통해 다양한 장치 요청을 구분합니다.

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3. 구성 요소

구성 요소	역할	설명
I/O Device	인터럽트 발생 주체	키보드, 마우스, 디스크, 네트워크 장치 등
Interrupt Controller	다수 장치의 인터럽트 신호 정리 및 CPU 전달	PIC, APIC, NVIC 등
Interrupt Vector Table	인터럽트 유형별 ISR 주소 매핑 테이블	OS에 의해 설정됨
ISR (Interrupt Service Routine)	인터럽트 처리 루틴	하드웨어 이벤트 처리 로직
CPU	인터럽트 수신 및 처리 주체	인터럽트 발생 시 ISR로 분기

이 구조는 하드웨어와 운영체제가 긴밀하게 연동되어야 정상적으로 작동합니다.

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4. 인터럽트 유형

유형	설명	예시
하드웨어 인터럽트	장치가 직접 인터럽트 라인 활성화	키 입력, 디스크 데이터 도착 등
소프트웨어 인터럽트	프로그램이 의도적으로 인터럽트 발생	시스템 콜 (INT 0x80) 등
마스크 가능 인터럽트	우선순위에 따라 무시 가능	Timer, Keyboard
논마스크 인터럽트(NMI)	절대적으로 처리되어야 함	하드웨어 오류, 전력 경고 등

운영체제는 인터럽트 컨트롤러를 통해 우선순위 조정, 마스킹 등을 수행합니다.

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5. 인터럽트 기반 I/O vs 폴링 기반 I/O

항목	인터럽트 방식	폴링 방식
자원 효율	높음 (대기 중 다른 작업 가능)	낮음 (CPU가 상태 반복 확인)
응답 시간	불규칙하지만 빠름	예측 가능하나 지연 가능성 존재
구현 복잡도	다소 복잡 (ISR, 벡터 테이블 등 필요)	간단함
고속 장치 대응	효과적	병목 현상 발생 가능

대부분의 현대 시스템은 인터럽트 기반 구조를 기본으로 하되, 특수한 경우 폴링을 병행 사용합니다.

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6. 실무 활용 사례

분야	적용 사례	설명
운영체제	시스템 콜, 디스크 입출력, 네트워크 인터럽트	효율적인 자원 스케줄링 지원
마이크로컨트롤러	GPIO 입력 처리, 센서 이벤트 감지	디바운싱, 이벤트 루프 구성
고속 네트워크	NIC 인터럽트 기반 패킷 수신	MSI-X 등 고급 인터럽트 기술 활용
리눅스 드라이버	request_irq() 함수로 인터럽트 등록	사용자 정의 ISR 구현 가능

실시간 처리 요구가 높은 임베디드, 커널, 통신 분야에서 핵심 기술로 사용됩니다.

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7. 결론

I/O 인터럽트 구조는 CPU와 주변 장치 간의 효율적인 통신을 가능하게 하는 운영체제 핵심 기술입니다. 적절한 인터럽트 처리 구조 설계는 시스템 반응성을 향상시키며, CPU 자원을 최적으로 활용할 수 있게 합니다. 고속 I/O 환경에서는 인터럽트 기반 구조와 DMA, 스레드 스케줄링 등과 함께 통합 설계되는 경우가 많으며, 커널 수준의 이해가 요구됩니다.