인터럽트와 시스템 콜 – 사용자 프로그램이 OS를 호출하는 방법

처음 C 언어로 파일 입출력을 구현할 때, fopen이나 read 함수가 어떻게 실제 디스크에 접근하는지 궁금했던 적이 있습니다. 표면적으로는 단순한 함수 호출이지만, 이 작업이 운영체제를 거쳐야 한다는 사실을 알게 되었고, 그 과정에서 시스템 콜과 인터럽트의 개념을 처음 접하게 되었습니다. 이후 커널 내부를 살펴보며 이 메커니즘이 컴퓨터의 기본 작동 원리라는 것을 이해하게 되었습니다.

운영체제와 사용자 프로그램의 경계

컴퓨터 시스템은 사용자 프로그램과 운영체제로 구성됩니다. 사용자 프로그램은 텍스트 편집기, 브라우저, 게임 등 사용자가 직접 실행하는 소프트웨어이며, 운영체제는 이러한 프로그램들이 하드웨어 자원을 안전하고 효율적으로 사용할 수 있도록 중재하는 역할을 합니다.

운영체제는 CPU, 메모리, 저장장치, 네트워크 등 핵심 자원에 직접 접근할 수 있는 권한을 가지고 있으나, 일반 사용자 프로그램은 이를 직접 제어할 수 없습니다. 이는 보안과 안정성, 시스템 자원 보호를 위한 구조입니다. 따라서 사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 이용하려면, 특정한 방식으로 운영체제에 도움을 요청해야 하며, 이때 사용하는 방식이 시스템 콜입니다.

시스템 콜(System Call)의 개념과 동작

시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영체제의 커널 기능을 요청하는 공식적인 방법입니다. 예를 들어 파일을 열거나, 데이터를 읽고 쓰거나, 프로세스를 생성하거나, 메모리를 할당하는 작업은 모두 시스템 콜을 통해 이루어집니다. 일반적인 프로그래밍 언어에서 제공하는 고수준 함수들은 내부적으로 시스템 콜을 호출하여 실제 작업을 수행합니다.

시스템 콜이 실행되면 프로그램의 흐름은 사용자 모드에서 커널 모드로 전환됩니다. 이 모드 전환을 통해 커널은 필요한 작업을 수행할 수 있으며, 작업이 완료되면 다시 사용자 모드로 복귀하여 프로그램 실행을 이어갑니다. 이때 하드웨어적으로는 특수한 명령어(예: x86의 int 0x80 또는 syscall)가 실행되어 커널 진입이 이루어집니다.

운영체제는 시스템 콜을 위한 고유한 인터페이스를 제공하며, 각 시스템 콜에는 고유한 번호와 인자 구조가 있습니다. 리눅스에서는 open, read, write, fork, exec 등 다양한 시스템 콜이 존재하며, 개발자는 표준 라이브러리를 통해 이를 간접적으로 호출할 수 있습니다. 이처럼 시스템 콜은 사용자와 커널 간의 통신 창구로서, 운영체제 기능을 안전하게 사용할 수 있도록 합니다.

인터럽트(Interrupt)의 역할과 시스템 콜과의 관계

인터럽트는 CPU의 현재 실행 흐름을 일시적으로 중단하고, 특정 이벤트를 처리하기 위해 운영체제에게 제어를 넘기는 메커니즘입니다. 하드웨어 장치나 소프트웨어 이벤트가 발생했을 때 인터럽트를 발생시키고, CPU는 인터럽트 핸들러를 통해 이를 처리합니다.

시스템 콜 역시 소프트웨어 인터럽트의 일종으로 구현됩니다. 즉, 사용자 프로그램이 운영체제에 요청을 보낼 때, 명시적인 인터럽트를 발생시켜 커널에 제어권을 넘기게 됩니다. 이 과정은 안전하고 제한적인 방식으로 사용자 프로그램이 시스템 자원에 접근할 수 있게 해 줍니다.

예를 들어 사용자가 파일을 열려고 할 때, 프로그램은 fopen 같은 함수를 호출하고, 이 함수는 내부적으로 open 시스템 콜을 발생시킵니다. 시스템 콜은 인터럽트를 통해 커널에 진입하며, 커널은 파일 시스템을 통해 해당 파일을 열고, 그 결과를 사용자 프로그램에 반환합니다. 이처럼 인터럽트는 시스템 콜이 작동하는 기반 구조로서, 핵심적인 역할을 담당합니다.

하드웨어 인터럽트는 키보드 입력, 마우스 클릭, 디스크 입출력 완료, 네트워크 패킷 수신 등 외부 장치의 요청에 의해 발생합니다. 소프트웨어 인터럽트는 시스템 콜, 예외 처리 등 내부 로직에 의해 발생하며, 두 가지 모두 운영체제가 적절하게 응답하도록 설계되어 있습니다.

시스템 보호와 사용자 경험을 위한 설계

사용자 프로그램이 직접 하드웨어를 제어하지 못하게 제한하는 이유는 시스템 전체의 안정성과 보안을 보장하기 위해서입니다. 시스템 콜과 인터럽트를 통한 구조는 이러한 제약을 유지하면서도, 필요한 기능을 제공할 수 있도록 설계된 것입니다.

만약 사용자 프로그램이 디스크에 직접 접근하거나, 임의의 메모리 주소를 조작할 수 있다면, 시스템 전체가 손상될 수 있습니다. 따라서 운영체제는 시스템 콜과 인터럽트를 통해 이러한 접근을 통제하며, 각 요청이 합법적인지 검사한 후 제한된 범위 내에서만 실행할 수 있도록 합니다.

또한 시스템 콜은 사용자 친화적인 API로 추상화되어 있기 때문에, 개발자는 복잡한 커널 내부를 알지 못하더라도 파일, 네트워크, 프로세스 등 다양한 기능을 손쉽게 사용할 수 있습니다. 이는 운영체제가 제공하는 대표적인 서비스 중 하나로, 소프트웨어 개발을 단순화하고 시스템의 일관성을 유지하는 데 큰 역할을 합니다.

결론적으로, 인터럽트와 시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영체제의 보호된 기능을 안전하게 호출할 수 있도록 도와주는 핵심 메커니즘입니다. 이들을 정확히 이해하는 것은 운영체제뿐 아니라 시스템 프로그래밍, 보안, 커널 개발 등 다양한 분야에서 필수적인 지식입니다.