인터럽트와 RTOS — ISR Context·Deferred Processing·FromISR API

#한 줄 요약

“ISR은 짧게, 일은 task에 맡깁니다.” Bottom-half 패턴이 RTOS와 OS의 공통 답입니다.

#ISR Context — task와 다른 세계

ISR이 실행 중일 때는 다음 규칙이 적용됩니다.

• 현재 task의 stack을 사용합니다 (또는 별도 ISR stack을 씁니다. Cortex-A나 RISC-V).
• scheduler가 비활성화됩니다 (preemption이 일어나지 않습니다).
• 다른 ISR만 nested로 가능합니다 (priority가 더 높은 경우).
• blocking이 불가능합니다 (semaphore wait 등은 절대 금지입니다).

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void TIM1_IRQHandler(void) {
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    // ✓ 가능: 변수 업데이트, FromISR API
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    counter++;
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    xSemaphoreGiveFromISR(sem, &woken);
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    // ✗ 절대 금지: blocking
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    // xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY);  // CRASH
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    // vTaskDelay(10);                       // CRASH
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    // printf("...");                        // mutex 내부 → block
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}

#Bottom-Half / Top-Half 패턴

Linux 커널의 전통적 용어이고, RTOS에도 동일하게 적용됩니다.

#Top-Half (ISR)

• HW interrupt를 직접 처리합니다.
• 최소 작업만 합니다 (flag 설정, 데이터 캡처, signal task).
• 수 µs 안에 종료합니다.

#Bottom-Half (Task)

• 실제 데이터 처리, 로깅, 전송을 합니다.
• 일반 task이므로 RTOS의 모든 API를 사용할 수 있습니다.
• ms 단위 작업도 괜찮습니다.

#패턴 예 — UART 수신

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// Top-Half
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void USART1_IRQHandler(void) {
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    BaseType_t woken = pdFALSE;
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    uint8_t c = USART1->RDR;
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    xQueueSendFromISR(rxQueue, &c, &woken);
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    portYIELD_FROM_ISR(woken);
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}
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// Bottom-Half
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void uart_rx_task(void *arg) {
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    uint8_t c;
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    while (1) {
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        xQueueReceive(rxQueue, &c, portMAX_DELAY);
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        process_byte(c);   // 복잡한 파싱·검증·로그
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    }
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}

ISR에서는 1바이트만 큐에 넣고 끝냅니다. 모든 작업은 task에서 처리합니다.

#FromISR API — RTOS의 ISR-safe 변종

FromISR은 차이가 있습니다. blocking이 없고, scheduler를 호출하지 않으며, xHigherPriorityTaskWoken으로 지연 yield 신호를 전달합니다.

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BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
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xQueueSendFromISR(q, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);
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// 위 호출이 higher-priority task를 ready로 만들면 pdTRUE
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portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
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// pdTRUE면 ISR 끝나면서 task 전환

#ISR Priority 설정 — Cortex-M

NVIC에서 IRQ priority를 설정합니다. 중요한 점은 FreeRTOS 호환 영역 안에서만 FromISR API를 사용할 수 있다는 것입니다.

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#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  (5 << (8 - __NVIC_PRIO_BITS))
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#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY       (15 << (8 - __NVIC_PRIO_BITS))
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// 적용
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NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 6);
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// 6은 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY (5)보다 *낮음* (값이 클수록 낮음)
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// → FromISR API 사용 가능

Cortex-M의 priority는 값이 작을수록 높습니다. 처음 만나면 헷갈리는 부분입니다.

#Priority 분리

• High priority (값 0-4): RTOS와 무관한 순수 HW critical 영역입니다 (모터 제어 ISR 등). FromISR API를 사용할 수 없습니다.
• Medium priority (값 5+): FromISR API를 사용할 수 있습니다. 일반 ISR입니다.
• configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY (값 15): tick과 PendSV가 여기에 속합니다.

#ISR Latency

ISR이 trigger 되고 실제 ISR 코드 첫 줄이 실행될 때까지의 시간을 말합니다.

Tail-chaining은 ISR끼리 연속 발생 시 context push/pop을 생략해 6-12 cycle을 절약합니다.

#ISR Storm 방지

interrupt가 너무 자주 발생하면 main loop가 굶게 됩니다.

#NAPI 패턴 (Linux 네트워킹)

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void NIC_IRQHandler(void) {
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    disable_nic_irq();              // 더 이상 IRQ 안 받음
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    notify_napi_task();             // poll mode로 전환
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}
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void napi_task(void *arg) {
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    while (1) {
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        while (data_pending()) {
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            read_packet();          // polling
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        }
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        enable_nic_irq();           // 다시 IRQ mode
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        wait_for_signal();
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    }
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}

IRQ에서 polling으로 전환해 부하 한계 안에서만 IRQ를 사용합니다.

#ISR과 Task 통신 메커니즘 비교

Task Notification이 가장 효율적입니다. queue나 semaphore의 overhead 없이 task의 notification value를 직접 update합니다.

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// ISR
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xTaskNotifyFromISR(rx_task_handle, RX_EVENT, eSetBits, &woken);
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// Task
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uint32_t notif;
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xTaskNotifyWait(0, ULONG_MAX, &notif, portMAX_DELAY);
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if (notif & RX_EVENT) { /* ... */ }

#자주 하는 실수

⚠️ ISR에서 blocking API

xQueueSend()(FromISR이 아닌)를 호출하면 crash나 deadlock이 발생합니다. 항상 FromISR을 써야 합니다.

⚠️ Priority 설정 잘못

Cortex-M priority는 0이 제일 높습니다(값이 작을수록 높음). 다른 시스템(PowerPC, MIPS)은 반대입니다. 데이터시트를 확인해야 합니다.

⚠️ ISR이 너무 김

50 µs 이상 걸리면 다른 ISR이 막힙니다. 데이터 캡처만 하고 나머지는 task로 넘깁니다.

⚠️ ISR 사이 공유 변수 atomic 안 함

32-bit MCU에서 32-bit read와 write는 atomic이지만, 64-bit나 struct는 그렇지 않습니다. interrupt disable이나 atomic API를 사용해야 합니다.

#정리

• ISR은 task가 아니므로 blocking API를 사용할 수 없습니다.
• Top-Half (ISR) + Bottom-Half (task) 패턴이 표준입니다.
• FreeRTOS의 FromISR API, xHigherPriorityTaskWoken, portYIELD_FROM_ISR() 3종 세트를 사용합니다.
• Cortex-M priority는 값이 작을수록 높습니다. configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 경계에 주의해야 합니다.
• Task Notification이 가장 빠른 ISR과 task 간 통신 방법입니다.

다음 편에서는 동기화 기초를 다룹니다. Critical Section과 Mutual Exclusion을 살펴봅니다.

#관련 항목

• 1-04: Preemption과 Cooperation
• 1-06: 동기화 기초
• 3-09: ISR-safe API 설계