プログラム割り込みとは？システム応答性を向上させる基本概念

プログラム割り込みは、コンピュータが実行中の処理を一旦中断して、優先度の高い別の処理に切り替える仕組みです。

ハードウェアやソフトウェアからの各種要求に迅速に対応できるため、システム全体の効率性向上に寄与します。

プログラム割り込みの基本

定義と役割の解説

プログラム割り込みとは、コンピュータシステムにおいて、実行中のプログラムを一時的に停止し、別の処理を優先的に実行する仕組みである。

この仕組みにより、外部や内部からのさまざまな要求に迅速に対応し、エラー処理や周辺機器との連携などシステム全体の効率性と応答性が向上する。

たとえば、ユーザーの入力やハードウェアの異常信号に対しても即座に対処できるため、システムの安定運用が可能になる。

動作の概要

プログラム割り込みは以下の流れで動作する。

• 割り込みが発生すると、現在実行中のプログラムの状態が保存される
• 保存された状態をもとに、割り込み要求に応じた専用の処理(サービスルーチン)が実行される
• サービスルーチンの処理が完了した後、保存された状態が復元され、元のプログラムが中断された位置から再開する

この仕組みによって、システムは重要な処理を逃さず、遅延なくタスクを管理することが可能になる。

割り込みの種類

内部割り込み

例外処理とスーパーバイザコール

内部割り込みは、プログラム内部で発生する割り込みである。

具体的には以下のようなケースがある。

• ゼロ除算やオーバーフローなど、実行中にエラーが発生した場合の例外処理
• プログラムがオペレーティングシステムの機能を呼び出す際に発生するスーパーバイザコール

これらは、プログラム自体が動作中に自己の状態を検知し、即時に必要な処理を行うための仕組みとして利用される。

外部割り込み

入出力割り込み

入出力割り込みは、キーボード、マウス、ストレージなどの外部デバイスから発生する信号によって引き起こされる。

これにより、入力されたデータや外部からの要求に迅速に対応することが可能になる。

タイマー割り込み

タイマー割り込みは、システムがあらかじめ設定した時間経過を監視し、所定の時間に達すると発生する。

たとえば、一定間隔で処理を実行する必要がある場合に利用され、プロセスのスケジューリングや時間管理に貢献する。

機械チェック割り込み

機械チェック割り込みは、ハードウェアの異常や障害発生時に自動的に発生する割り込みである。

これにより、ハードウェアの故障や不具合を迅速に検出し、必要な安全対策や復旧処理が行われる。

割り込み発生から復帰までの処理フロー

割り込み検知と実行中プログラムの中断

割り込みが発生すると、システムはまず現在実行中のプログラムから割り込み要求を検知する。

検知後、現在のプログラムの実行状態(レジスタの値やフラグなど)が保存され、後で正しく再開できるように状態管理が行われる。

この処理により、一時的に実行が中断されるが、重要なデータが失われる心配はない。

サービスルーチンへの切り替え

次に、割り込みの種類に応じたサービスルーチンへCPUの処理が切り替えられる。

サービスルーチンは、割り込み要求に対して特化された処理が組まれており、入力データの処理、異常の診断やエラーチェック、必要な修正などを速やかに行う。

たとえば、タイマー割り込みの場合は定期的な処理の実行、入出力割り込みの場合はデバイスからのデータ取得が行われる。

割り込み処理完了後の復帰動作

サービスルーチンによる割り込み処理が完了すると、保存されていた実行状態が復元され、元のプログラムは中断された位置から再開される。

これにより、割り込み処理がプログラム全体の動作に支障をきたすことなく、システムがスムーズに運用されるようになる。

システム応答性向上への影響

リアルタイム処理における割り込みの役割

リアルタイムシステムでは、決められた時間内に正確な処理を行う必要がある。

割り込み機構は、こうしたシステムにおいて即時の対応を可能にし、遅延なくタスクを管理するために重要な役割を果たす。

たとえば、センサーからのデータ入力や制御信号に対しても迅速な反応を行えるため、リアルタイム処理の信頼性が向上する。

マルチタスク環境での効率改善効果

複数のタスクが同時に実行されるマルチタスク環境では、各タスクの優先度に応じた割り込み処理が必須になる。

割り込みにより必要なタスクへ迅速に切り替えることで、システム資源の有効活用が図られ、全体のパフォーマンスが向上する。

これにより、ユーザーからの入力や各種デバイスからの信号に対しても迅速に対応できるようになる。

まとめ

プログラム割り込みは、実行中のプログラムを一時的に中断し、必要な割り込み要求に対して専用の処理を実行する仕組みである。

内部割り込みと外部割り込みを通じて、エラー処理や外部デバイスとの連携、タイマー管理など、多様なシナリオでシステムの応答性と効率性が向上する。

割り込みの検知から復帰までの一連の動作を理解することで、コンピュータシステムの動作原理とそのメリットが明確になり、システム設計やトラブルシューティングに役立つ知識となる。