타이머 인터럽트(timer interrupt) 발생 주기?/ tick interrupt, timer interrupt (+ xv6 )

xv6 시스템 콜 구현 과제를 하면서 과제 마감일까지도 깔끔하게 이해가 되지 않았던 부분에 대해 정리해 본다.
 
일단 내가 의문이었던 부분은 "1틱마다 타이머 인터럽트가 발생을 한다"고 하는데, 1초에 100 틱이라 한다면 프로세스 수행 중 1초에 100번의 타이머 인터럽트가 발생할 것이고, 그때마다 유저모드에서 커널 모드로의 전환이 이루어진다는 것이 맞다는 것인데, 오버헤드가 과도하게  발생하는 것은 아닌지? 였다.
 

교수님께 여쭤본 바로는 타이머 인터럽트는 매틱마다 발생하고, 그때마다 커널모드로의 전환이 이루어지는 것이 맞다고 한다. ( 모드스위칭이 엄청 빠른 시간 사이에 이루어지기 때문에 프로세스의 수행속도에 거의 영향을 미치지 않는다고 한다.) 그때 커널 모드에서는 system time update, 실행 중인 프로세스의 time quantum 체크,  context switching 등의 고려를 한다. timer ticks의 주기는 하드웨어 타이머와 운영체제에 의해 결정된다. 대부분의 경우에서는 1초에 100 틱, 즉 매 10ms마다 틱이 증가한다. 

 

xv6의 경우 타이머 인터럽트에 의해 preemptive multitasking을 구현한다. 프로세스가 수행되던 중 time quantum을 모두 소모했을 경우 타이머 인터럽트가 발생하고, 스케줄러는 실행할 수 있는 다른 프로세스(RUNNABLE 상태)가 있다면 context switch를 결정한다. 이를 통해 한 프로세스가 cpu를 독점하는 것을 방지한다. 
 
timer interrupt는 tick counter를 매틱마다 증가시키고 실행 중인(RUNNING) 프로세스가 preempt 당할(빼앗길) 시간이 되었는지 체크한다.

 

 

타이머 인터럽트의 필요성 : 타이머 인터럽트는 운영체제가 시간을 추적하고, 프로세스 스케줄링을 수행하며, 시간 기반 작업을 처리하는 데 필수적

효율적인 처리: 현대 프로세서와 운영체제는 이러한 빈번한 모드 전환을 매우 빠르고 효율적으로 처리하도록 최적화되어 있다. 모드 전환에 걸리는 시간은 매우 짧다.

조절 가능한 타이머 주파수 : 운영체제는 필요에 따라 타이머 인터럽트의 빈도(HZ 값)를 조절할 수 있다. 일부 시스템에서는 100Hz 대신 1000Hz를 사용하기도 하며, 이는 시스템의 요구사항과 성능 특성에 따라 결정된다.

오버헤드와 성능 : 높은 타이머 주파수는 더 정확한 시간 측정과 빠른 반응성을 제공하지만, 오버헤드도 증가시킨다. 반대로 낮은 주파수는 오버헤드를 줄이지만 시간 정밀도와 반응성이 떨어진다.

최적화 기법: 운영체제는 불필요한 모드 전환을 최소화하기 위해 다양한 최적화 기법을 사용한다. 예를 들어, 타이머 인터럽트 처리 중 수행할 작업이 없다면 빠르게 유저 모드로 돌아간다.

하드웨어 지원: 현대 프로세서는 빠른 모드 전환을 위한 하드웨어 지원 기능을 제공하여 모드 전환에 따른 오버헤드가 크게 줄었다.

 

 

결론적으로, 타이머 인터럽트로 인한 모드 전환은 분명 오버헤드를 발생시키지만, 이는 운영체제의 정상적인 작동에 필수적이며, 현대 시스템에서는 이를 효율적으로 처리할 수 있도록 설계되어 있다. 오버헤드와 시스템 성능 사이의 균형을 유지하기 위해 타이머 주파수를 적절히 조절하고 다양한 최적화 기법을 사용한다.