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Modern Embedded Recipes · 71/152

ISR-Safe API 설계 — Reentrant·Atomic·Defer 패턴

· Hawk · 3분 읽기

#한 줄 요약

“ISR-safe = reentrant + non-blocking + short” 위 셋을 모두 만족해야 안전합니다.

#ISR-Safe 함수의 조건

조건의미
Reentrant중간에 끊겨도 재실행 안전
Non-blockingsleep·spin·malloc 없음
Short수 µs 이내
No side effect outside protectedshared state는 atomic 또는 lock-free

#Reentrant 함수 체크

/* 회피 — non-reentrant */
static int last_value;
int compute(int x) {
last_value = x * 2; /* ← global state */
return last_value;
}
/* Good — reentrant */
int compute(int x) {
return x * 2; /* stack only */
}

ISR은 task 실행 도중에 같은 함수에 재진입할 수 있습니다. 이때 static·global을 변경하면 corruption이 발생합니다.

#strtok·rand 등 함정

char *p = strtok(s, ","); /* ← non-reentrant (static state) */
int n = rand(); /* ← non-reentrant */

대체 수단은 다음과 같습니다.

  • strtok_r (POSIX)은 reentrant variant입니다.
  • rand_r(&seed)는 seed를 local로 둡니다.
  • newlib *_r family도 같은 목적으로 제공됩니다.

#Atomic 변수만 공유

/* OK — Cortex-M 32-bit aligned */
volatile uint32_t isr_counter;
void ISR(void) {
isr_counter++; /* atomic on 32-bit */
}
void task(void) {
uint32_t v = isr_counter; /* atomic read */
}

ARM Cortex-M에서는 32-bit aligned word access가 자동으로 atomic합니다. 다만 64-bit은 split read가 발생해 race로 이어집니다.

#ISR ↔ Task — Lock-Free Ring

#define SIZE 64
volatile uint8_t buf[SIZE];
volatile uint8_t head, tail; /* ISR writes head, task reads */
void ISR(void) {
uint8_t byte = UART->RDR;
uint8_t next = (head + 1) % SIZE;
if (next != tail) {
buf[head] = byte;
head = next; /* atomic write */
}
/* else — overflow, drop */
}
void task(void) {
while (tail != head) {
uint8_t byte = buf[tail];
tail = (tail + 1) % SIZE;
process(byte);
}
}

SPSC ring은 lock이 없습니다. ISR과 task가 서로 다른 변수(head/tail)에만 write하기 때문입니다.

#FromISR Variant

void ISR(void) {
BaseType_t pxHP = pdFALSE;
xQueueSendFromISR(rx_q, &byte, &pxHP);
portYIELD_FROM_ISR(pxHP);
}

FreeRTOS와 Zephyr은 ISR variant를 분리해 제공합니다. Task API와는 시그니처가 다릅니다.

#Deferred Work — Bottom Half

volatile int rx_pending = 0;
uint8_t rx_buffer[256];
void ISR(void) {
rx_buffer[rx_pending++] = UART->RDR;
if (rx_pending == 256) signal_task();
}
void task(void) {
for (;;) {
wait_for_signal();
for (int i = 0; i < rx_pending; i++) process(rx_buffer[i]);
rx_pending = 0;
}
}

ISR은 짧게 수집만 하고, task가 처리를 맡습니다. 이 방식이 RT-friendly합니다.

#자동차 ISR — 최소 처리

/* CAN RX ISR */
void CAN_RX_IRQHandler(void) {
can_msg_t msg;
msg.id = CAN->RIR;
msg.dlc = CAN->RDTR & 0xF;
for (int i = 0; i < msg.dlc; i++) msg.data[i] = CAN->RDLR >> (i*8);
/* Lock-free push to ring */
can_ring_push(&msg);
/* Wake handler task */
BaseType_t pxHP = pdFALSE;
xSemaphoreGiveFromISR(can_sem, &pxHP);
portYIELD_FROM_ISR(pxHP);
}

CAN 1 Mbps에서는 14k frame/sec, 즉 frame당 70 µs의 budget이 주어집니다. 그래서 ISR은 수 µs 이내로만 동작해야 합니다.

#Critical Section Helper

typedef struct { uint32_t primask; } critical_section_t;
static inline critical_section_t critical_enter(void) {
critical_section_t cs;
cs.primask = __get_PRIMASK();
__disable_irq();
return cs;
}
static inline void critical_exit(critical_section_t cs) {
__set_PRIMASK(cs.primask);
}
/* 사용 */
{
critical_section_t cs = critical_enter();
shared_var++;
critical_exit(cs);
}

IRQ가 자동으로 복원되므로 코드의 어느 path에서 빠져나가도 안전합니다.

#BASEPRI — Selective Disable

/* FreeRTOS — kernel critical */
__set_BASEPRI(configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - __NVIC_PRIO_BITS));
/* High priority ISR은 통과, kernel·low priority 차단 */
critical();
__set_BASEPRI(0);

자동차·항공의 high RT ISR은 kernel API를 쓰지 않으면서도 동작합니다.

#printf in ISR — 회피

ISR: printf("byte: %02X\n", byte); /* ✗ stack 큼·UART blocking */

대안은 다음과 같습니다.

  • ITM ITM_SendCharcycle 수준의 비용으로 끝납니다.
  • Ring buffer에 기록하고 task에서 printf를 호출합니다.
  • Conditional로 묶어 debug build에서만 활성화합니다.

#자주 하는 실수

⚠️ ISR에서 malloc/free

ISR: void *p = malloc(64); /* heap lock — deadlock 가능 */

대신 static buffer와 pool을 사용합니다.

⚠️ FromISR variant 누락

ISR: xQueueSend(q, ...); /* ✗ — block 가능 함수 */

대신 xQueueSendFromISR을 사용해야 합니다.

⚠️ Long ISR

void ISR(void) {
process_packet(); /* 1 ms — 다른 IRQ 다 latency */
}

대신 ring buffer에 모아 두고 task에서 처리합니다.

⚠️ Shared variable 64-bit

volatile uint64_t timestamp;
ISR: timestamp = read_64(); /* ← Cortex-M에서 *2 store* — split */
task: read timestamp /* ← race */

이때는 critical section을 두거나 atomic_load_64를 써야 합니다.

#정리

  • ISR-safe는 reentrant + non-blocking + short를 모두 만족해야 합니다.
  • 32-bit aligned 변수만 atomic으로 다룰 수 있습니다.
  • FromISR variant를 명시적으로 호출합니다.
  • Deferred work pattern으로 ISR은 짧게 유지하고 task가 처리합니다.
  • Critical section은 __disable_irq 또는 BASEPRI로 구성합니다.
  • printf와 malloc은 피하고 ITM과 pool을 사용합니다.

다음 편은 Lock-Free Ring Buffer입니다.

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Modern Embedded Recipes · 72 of 152

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  84. 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
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  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX