인터럽트 (Interrupt) 활용: 효율적인 펌웨어의 비밀 병기 > 임베디드 시스템 및 펌웨어 개발

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지난 시간에는 GPIO 제어를 통해 로봇의 MCU가 외부 장치와 디지털 신호로 통신하는 기본적인 방법을 알아보았습니다. 로봇의 하드웨어를 제어하고 외부 이벤트에 반응하는 데 있어, 단순한 GPIO 제어를 넘어 훨씬 더 효율적이고 즉각적으로 응답하는 강력한 메커니즘이 바로 **인터럽트(Interrupt)**입니다. 인터럽트는 "효율적인 펌웨어 개발을 위한 비밀 병기"이자, 로봇이 실시간으로 외부 상황에 대처하는 능력을 극대화하는 핵심 기술입니다.

일반적인 펌웨어는 '폴링(Polling)' 방식, 즉 주기적으로 특정 핀이나 센서의 상태를 계속 확인하는 방식으로 작동할 수 있습니다. 하지만 이는 CPU가 불필요한 작업에 자원을 낭비하고, 중요한 이벤트 발생 시에도 즉각적으로 반응하지 못하는 비효율성을 초래합니다. 인터럽트는 이러한 한계를 극복하여, 특정 이벤트 발생 시 CPU가 현재 작업을 잠시 멈추고 해당 이벤트를 우선적으로 처리한 후 원래 작업을 재개하도록 하는 메커니즘입니다. 로봇의 모터 제어, 센서 데이터 수집, 비상 정지 처리, 통신 등 안전과 직결되거나 정밀한 실시간 응답이 필수적인 모든 작업에서 인터럽트는 핵심적인 역할을 합니다. 이 설명을 통해 인터럽트가 무엇이며, 어떻게 효율적인 펌웨어의 비밀 병기가 되는지, 그 원리와 작동 방식, 그리고 로봇 개발에서의 활용은 무엇인지 자세히 파헤쳐 보겠습니다. 

로봇이 "고속으로 회전하는 모터의 엔코더 펄스 수를 정확하게 세어 속도를 측정하고, 동시에 비상 정지 버튼이 눌리면 다른 모든 작업을 중단하고 즉시 모터를 멈춰야 하는" 것과 같은 상황이라면, 인터럽트는 CPU의 자원 낭비 없이 이러한 동시다발적이고 즉각적인 처리를 가능하게 합니다.

1. 인터럽트(Interrupt)란 무엇인가?

인터럽트는 "마이크로컨트롤러(MCU) 또는 마이크로프로세서(CPU)가 현재 실행 중인 작업을 잠시 중단하고, 특정 **외부 또는 내부 이벤트(인터럽트 요청)**에 우선적으로 대응하여 미리 정의된 루틴(인터럽트 서비스 루틴)을 실행한 후, 원래의 작업을 재개하는 메커니즘"입니다. 

폴링(Polling) 방식과의 비교:

폴링: CPU가 주기적으로 '버튼 눌렸어?', '센서 값 변했어?' 하고 계속 물어봅니다. 중요한 이벤트가 발생했는지 확인하는 데 CPU 시간을 낭비하며, 이벤트 발생 시 즉각적인 대응이 어렵습니다.

인터럽트: CPU는 다른 작업을 계속 하다가, '버튼 눌림!'이라는 이벤트가 발생하면 그제서야 CPU에게 알려줍니다. CPU는 이벤트 발생 시에만 반응하므로 효율적이고 즉각적인 대응이 가능합니다.

2. 인터럽트의 핵심 원리 및 작동 방식

인터럽트 발생부터 처리까지의 과정은 다음과 같습니다.

인터럽트 발생 (Interrupt Request, IRQ):

특정 하드웨어(외부 핀 변화, 타이머 오버플로우, 통신 데이터 수신 등)나 소프트웨어(나누기 0 오류, 시스템 콜 등)에서 CPU로 인터럽트 발생을 알립니다. 

CPU 상태 저장 (Context Saving):

CPU는 현재 실행 중인 명령어(Instruction)를 완료한 후, 레지스터 값(프로그램 카운터, 스택 포인터 등)과 같은 현재 작업의 문맥(Context)을 스택(Stack)에 임시로 저장합니다. 이는 인터럽트 처리 후 원래 작업을 재개하기 위함입니다.

인터럽트 서비스 루틴(ISR) 실행 (Interrupt Service Routine Execution):

CPU는 해당 인터럽트 요청에 대응하는 인터럽트 서비스 루틴(ISR, Interrupt Handler) 또는 인터럽트 처리 루틴의 시작 주소로 점프하여 ISR 코드를 실행합니다. ISR은 해당 이벤트를 처리하기 위한 특정 작업을 수행합니다. 

ISR의 짧고 빠르게: ISR은 가능한 한 짧고 빠르게 실행되어야 합니다. 긴 지연이나 복잡한 연산은 다른 중요한 인터럽트의 처리를 지연시키거나 시스템의 실시간성을 저해할 수 있습니다.

CPU 상태 복원 (Context Restoration):

ISR 실행이 완료되면, CPU는 스택에 저장했던 원래 작업의 문맥을 복원합니다.

원래 작업 재개 (Resume Main Program):

CPU는 인터럽트 발생 이전의 시점으로 돌아가 원래 실행 중이던 작업을 이어서 처리합니다.

2.1. 인터럽트 벡터 테이블 (Interrupt Vector Table)

각 인터럽트 소스(외부 핀 0, 타이머 1, UART 수신 등)에는 고유한 인터럽트 번호가 할당되어 있습니다. MCU는 메모리의 특정 위치에 이 번호와 매핑되는 **ISR의 시작 주소 목록(인터럽트 벡터 테이블)**을 가지고 있습니다. 인터럽트 발생 시 CPU는 이 테이블을 참조하여 해당 ISR로 점프합니다.

2.2. 인터럽트 우선순위 (Interrupt Priority)

여러 인터럽트가 동시에 발생하거나, 하나의 ISR이 실행 중일 때 다른 인터럽트가 발생할 수 있습니다. 이때 MCU는 인터럽트 우선순위를 사용하여 어떤 인터럽트를 먼저 처리할지 결정합니다. 높은 우선순위의 인터럽트는 낮은 우선순위의 ISR 실행 중에도 끼어들 수 있습니다.

3. 인터럽트의 종류

인터럽트는 크게 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나눌 수 있습니다.

3.1. 하드웨어 인터럽트 (Hardware Interrupts):

외부 인터럽트: 외부 핀의 전압 변화(엣지 감지: 상승/하강), 버튼 눌림, 스위치 변경 등 외부 장치로부터 발생하는 신호. (로봇의 비상 정지 버튼, 충돌 센서)

내부 인터럽트: MCU 내부 주변장치(Peripherals)로부터 발생하는 신호. (타이머 오버플로우, ADC 변환 완료, 통신 데이터 수신/송신 완료)

3.2. 소프트웨어 인터럽트 (Software Interrupts) / 트랩 (Trap):

시스템 콜 (System Call): 프로그램이 운영체제 서비스(예: 파일 열기, 메모리 할당)를 요청할 때 발생합니다.

예외 (Exception) / 트랩: 프로그램 실행 중 발생하는 오류(예: 0으로 나누기, 메모리 접근 오류, 잘못된 명령어 사용)입니다. 이때 CPU는 오류를 처리하기 위한 특정 루틴으로 점프합니다. 

4. 로봇 개발에서 인터럽트 활용: 효율적인 펌웨어의 비밀 병기

인터럽트는 로봇이 실시간으로 외부 환경과 상호작용하고, 효율적으로 작업을 수행하는 데 필수적인 '비밀 병기'입니다.

4.1. 정밀 모터 제어 및 오도메트리 (Precise Motor Control & Odometry):

엔코더 인터럽트: 모터에 부착된 엔코더에서 발생하는 펄스 신호(회전량)를 GPIO 외부 인터럽트로 처리합니다. CPU가 이 펄스를 정확하게 카운트하여 모터의 회전 속도와 위치를 실시간으로 파악하여 정밀한 PID 제어에 활용합니다.

타이머 인터럽트: 정확한 주기(예: 1ms)로 타이머 인터럽트를 발생시켜 모터 제어 루틴을 실행하고, PWM 신호를 업데이트하여 정밀하게 모터의 속도와 토크를 제어합니다.

4.2. 센서 데이터 고속 수집 (High-speed Sensor Data Acquisition):

IMU(가속도, 각속도)나 고주파 LiDAR와 같은 센서에서 고속으로 데이터가 발생할 때, 폴링 방식으로는 데이터 손실이나 지연이 발생할 수 있습니다. 인터럽트를 사용하여 데이터가 준비될 때마다 CPU가 즉시 처리하도록 하여 데이터의 정확성과 실시간성을 확보합니다.

4.3. 통신 데이터 수신 (Communication Data Reception):

UART, SPI, I2C, CAN 등 통신 모듈로 데이터가 수신될 때, 수신 버퍼에 데이터가 도착했음을 알리는 인터럽트를 사용하여 CPU가 즉시 데이터를 처리하도록 합니다. 이는 통신 지연을 최소화하고 데이터 손실을 방지합니다.

4.4. 비상 정지 및 안전 기능 (Emergency Stop & Safety):

로봇의 비상 정지 버튼이 눌리거나, 충돌 센서가 장애물을 감지하는 것과 같은 안전과 직결되는 이벤트는 최우선 순위의 인터럽트로 처리되어야 합니다. CPU는 모든 작업을 중단하고 즉시 로봇을 멈추거나 안전한 동작을 수행합니다.

4.5. 전력 효율 최적화 (Power Efficiency):

평소에는 로봇을 저전력 슬립 모드에 두고, 필요한 이벤트(예: 특정 센서 감지, 외부 명령 수신)가 발생할 때만 인터럽트로 CPU를 깨워서 작업을 수행함으로써 로봇의 전력 소모를 최소화합니다.

4.6. 사용자 입력 처리:

버튼이나 터치 센서 등 사용자로부터의 입력에 대해 인터럽트를 사용하여 지연 없이 즉각적으로 반응하는 사용자 인터페이스를 구현합니다.

5. 인터럽트 프로그래밍 시 고려 사항

ISR은 짧고 빠르게: ISR 내에서는 가능한 한 적은 코드만 실행하고, 시간이 오래 걸리는 작업(지연 함수, 복잡한 연산, 파일 I/O 등)은 메인 루틴이나 태스크(RTOS 사용 시)로 넘겨야 합니다.

전역 변수 사용 주의: ISR과 메인 루틴에서 공유하는 전역 변수는 volatile 키워드를 사용하여 최적화 문제를 방지하고, 필요에 따라 인터럽트를 일시적으로 비활성화하여 데이터 일관성을 유지해야 합니다.

재진입 가능성 (Reentrancy): ISR이 실행 중일 때 같은 종류의 인터럽트가 다시 발생하지 않도록 주의해야 합니다.

인터럽트 우선순위 관리: 중요한 인터럽트가 다른 인터럽트에 의해 방해받지 않도록 우선순위를 적절히 설정해야 합니다.

인터럽트(Interrupt)는 "CPU가 현재 작업을 잠시 중단하고 특정 외부 또는 내부 이벤트에 우선적으로 대응한 후 원래 작업을 재개하는 메커니즘"입니다. 폴링 방식의 비효율성을 극복하여 CPU의 자원 낭비를 줄이고, 외부 이벤트에 대한 즉각적이고 예측 가능한 응답성을 제공함으로써 효율적인 펌웨어 개발의 비밀 병기이자 로봇의 실시간 제어의 핵심입니다.

엔코더, 센서, 통신 데이터 처리, 비상 정지 기능 등 로봇의 다양한 저수준 제어 및 안전 기능에서 인터럽트의 원리, 작동 방식, 그리고 종류를 완벽하게 이해하고 활용하는 것은 로봇의 실시간성, 정밀도, 안전성, 그리고 전력 효율을 극대화하는 데 필수적인 역량이 될 것입니다. 로봇에게 '빠르게 반응하고 효율적으로 처리하는 지능'을 선물하여 더욱 강력하고 신뢰성 높은 자율 로봇 시스템을 만들어가시기를 응원합니다!