Drone's DIYer

인터럽트(interrupt)란 지정된 핀의 신호가 원하는 조건과 일치하면 미리 등록한 인터럽트 callback 함수(ISR; Interrupt Service Routines)를 자동으로 호출해주는 기능입니다. 이 ISR 함수는 사용자가 만든 함수이며, 이때 실행 중이던 loop() 함수 내부의 루틴은 인터럽트 callback 함수가 끝날 때까지 멈추게 됩니다.

즉, 특정 핀의 입력 상태가 바뀔 때 Arduino는 이를 자동으로 감지해서 모든 동작을 잠시 멈춘 다음, ISR(Interrupt Service Routines) 이라 불리는 미리 지정된 함수를 실행하고, 다시 원래 작업으로 복귀한다는 것입니다. 이를 '하드웨어 인터럽트'라 부릅니다. 이 외에도 비슷한 타이머(timer) 인터럽트가 있는데 이는 사용법이 전혀 다르므로 이 글에서 다루진 않습니다.

♧ 타이머 인터럽트 - AVR 칩을 비롯한 임베디드 시스템에서는 시간을 재기 위해서 타이머(Timer)/카운터(Counter)를 내장합니다. 만일 타이머/카운터가 없다면, 소프트웨어적으로 시간지연 함수를 사용해야 함으로써 MCU는 동작을 멈추게 되고, 이로 인해 MCU의 효율을 떨어뜨리게 된다는 것입니다.

뿐만 아니라 이와 같은 내장 타이머/카운터는 정확한 시간을 잴 수 있으며, MCU가 다른 작업과 병행할 수 있고, 미리 설정한 조건에서 타이머 인터럽트도 발생하게 할 수 있다는 것입니다. 이러한 각각 인터럽트들은 동시에 발생할 수도 있으므로 우선 순위를 갖습니다.

Arduino의 인터럽트 핀

Arduino Uno 기준으로 2개의 인터럽트 핀이 할당되어 있습니다. 즉, Number 0 (D2), Number 1 (D3). 몇개의 보드별 지원되는 인터럽트 핀은 다음과 같습니다. 인터럽트 callback(ISR)을 등록할 때 유의할 점은 핀 번호가 아니라 반드시 인터럽트 넘버를 사용한다는 것입니다. 예를 들어, 다음 표에서 Leonardo 보드는 Uno 보다 많은 5개의 인터럽트 핀을 제공합니다. 그리고 다섯번째 인터럽트 핀(int4)은 Number 7이라는 것입니다. 참고로 Arduino Due 보드는 모든 핀에 인터럽트가 지원됩니다.

인터럽트 callback 함수(ISR)는 입력 인자가 없고 반환값이 없습니다. 즉 파라미터를 전달하거나 리턴할 수가 없다는 것입니다. 게다가 ISR 함수 내에서는 delay() 함수를 사용할 수 없습니다. 또한 milli second의 시각을 가져오는 함수인 millis()를 사용하더라도 값이 증가하지는 않습니다. delayMicroseconds()의 경우에는 인터럽트에 독립적이므로 정상 동작합니다.

뿐만 아니라 ISR 함수 내에서는 Serial data를 읽을 경우 값이 소실되며, 이전 글에서 언급했던 것처럼 ISR 함수 내에서 업데이트 되는 전역 변수는 volatile로 반드시 선언되어야 합니다. ISR 함수를 만드는 요령은 최대한 짧고 빠르게 수행되도록 간결하게 작성해야 합니다. 왜냐면 이 코드가 길어지는 만큼 CPU는 멈추어 메인 작업을 수행하지 않아 효율적이지 않다는 것입니다.

또한 여러 개의 ISR 함수가 등록되어 있더라도 동시에 수행되지는 않습니다. 블루투스 모듈과의 통신을 위해 주로 사용되는 Software Serial 라이브러리의 경우, 내부적으로 인터럽트를 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 Uno 보드의 경우 D2, D3 에 연결해야만 정상 동작 가능합니다. 따라서 이를 회피하기 위해서 D0, D1 핀에 연결해서 Hardware Serial로 동작시킬 수 있습니다.

프로그램은 사용자가 편의를 위해서 코딩합니다. 즉 무엇인가 자동으로 일괄처리를 하기 위함인데 이는 마이크로 프로세서에서도 마찬가지 입니다. 하지만 프로그램 혹은 알고리즘(algorithm)은 일방적이기 보다는 주로 사용자와 대화형이고 키보드 뿐만 아니라 다양한 입출력 장치들과 각종 센서들에서 입력되는 정보로 프로그램과 대화하게 됩니다.

프로그램이 진행 중, 사용자에게 요구 사항이 있으면 팝업 창을 띄우고 묻기 위해 대기할 수 있지만, 사용자나 센서가 문득 프로그램에 어떤 입력을 주고 싶은 경우도 있습니다. 이를 '끼어든다'고 하여 인터럽트(interrupt)라 부르고 프로그램은 하던 작업을 멈추고 가급적 빨리 이를 처리하고 원래 수행하던 작업으로 되돌아가야 합니다. 이처럼 즉시 처리해야 하는 특수한 이벤트인 인터럽트가 발생하면, 프로세서는 그 이벤트를 처리할 작업들이 수록된 함수를 호출하는데, 이 함수를 인터럽트 서비스 루틴(ISR; interrupt service routine)이라고 합니다.

예를 들어, 키보드에 특정 키가 눌러저 있는지 이벤트를 감지하려면 모든 프로그램은 아두이노의 loop() 함수 같이 반복 수행되는 루프 내에서 항상 이 키의 상태를 검사해야 합니다. 이를 '소프트웨어 인터럽트' 혹은 '폴링(polling) 방식'이라고 하고 마이크로 프로세서의 경우에는 보다 정확하고 신속한 '하드웨어 인터럽트(인터럽트 방식)'도 제공하는데, 이를 이용하면 소프트웨어적으로 이 버튼의 상태를 항상 검사할 필요가 없다는 것입니다. 때문에 프로그램은 불필요한 부분에 시간을 낭비할 필요가 없게 됩니다. 그러므로 폴링 방식은 단일 이벤트 처리에 적합하고 인터럽트 방식은 다중 이벤트 처리에 효율적입니다. 

즉, MCU는 다른 작업을 하고 있다가 '키가 눌려지면' 그 즉시 하드웨어 인터럽트를 발생하여 하던 일을 멈추고 이를 처리할 ISR 함수를 호출하고, ISR이 끝나면 하던 일로 되돌아가게 됩니다. Arduino Uno 보드의 경우 인터럽트를 처리할 수 있는 핀은 2번과 3번 핀으로 이는 MCU에서 지원하기 때문이며 각각 INT0, INT1이라고 부릅니다.

ISR을 사용하기 위해서는 attachInterrup()라는 함수로 미리 알려야 합니다.

attachInterrupt( pin, ISR, mode)

pin : 첫 번째 인자로 인터럽트로 사용할 핀을 지정합니다. INT0의 경우 '0', INT1의 경우 '1'이 됩니다.

ISR : 두 번째 인자로 인터럽트가 걸렸을 때 호출할 함수의 이름으로 사용자가 만든 함수 이름입니다.

mode : 세 번째 인자로 RISING, FALLING, CHANGE, LOW 중 하나가 됩니다.

'RISING'이란 인터럽트 핀에 신호가 '0'에서 '1'로 변하는 순간이며 'FALLING'은 그 반대입니다. 'CHANGE'는 RISING과 FALLING 모두를 의미하며 'LOW'는 logical '0'값일 때를 의미합니다. ISR 함수는 입력 인수를 받을 수 없고 반환값도 void형이어야 하며, attatchInterrupt() 함수는 통상 setup() 함수 안에서 사용되어 초기에 인터럽트를 설정하게 됩니다.

다음은 터치 센서를 한 번 터치하면 LED가 점등하고 다시 터치하면 LED가 커지도록 동작하는 스케치를 예를 들어 봅니다. 이를 위해서 Ardunio Uno 보드의 11번에 부저를 연결하고, 3번 핀(INT1)에 터치 센서를 연결하여 하드웨어 인터럽트를 사용할 것입니다. 소스 코드는 다음과 같습니다.

#define TS 3

#define BUZ 11

void setup() {

    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

    pinMode(BUZ, OUTPUT);

    pinMode(TS, INPUT);

    attachInterrupt(INT1, toggleLed, RISING);

}

void loop() {

    digitalWrite(BUZ, HIGH);

    delay(50);

    digitalWrite(BUZ, LOW);

    delay(450);

}

void toggleLed() {

    digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));

}

setup()함수 내에 attachInterrupt(INT1, toggleLed, RISING)를 삽입하여 INT1을 사용하였고 ISR로써 toggleLed() 함수를 추가하였습니다. 세 번째 인자인 mode가 RISING 이므로 toggleLed() 함수는 외부 인터럽트인 3번 핀의 신호가 '0'에서 '1'로 바뀌는 rising edge에서 하드웨어적으로 자동 호출됨을 의미합니다.

loop() 함수에서는 부저를 단지 0.5초마다 한 번씩 울리는 일이 전부이며, 터치 센서가 눌러질 때마다 toggleLed() 함수 내에 digitalWrite() 함수가 실행되고 이는 아두이노 보드 내 이전의 LED 값에 따라 그 반대의 값을 쓰게 됩니다. 즉 켜져 있으면 크고 커져 있으면 켜게 됩니다. 참고로 digialRead() 함수는 단일 인자를 가지며 읽고자 하는 핀 번호를 인자로 넘겨주면 그 logical 값을 반환합니다.