割り込み

割り込みは、コンピュータ サイエンスとエレクトロニクスの基本的な概念であり、ハードウェアまたはソフトウェアによって中央処理装置 (CPU) の注意を要求するために送信される信号を指します。割り込みが発生すると、CPU は現在のタスクを一時停止し、割り込み要求の処理に切り替えます。割り込みはマルチタスクで重要な役割を果たし、デバイスとアプリケーションが CPU と効率的に通信できるようにします。

Interruptの起源とその最初の言及の歴史

割り込みの概念は、コンピューティングの初期の時代にまで遡ります。1950 年代、最初のコンピューターは真空管を使用して構築され、単純なプログラミング シーケンスに依存していました。コンピューターが複雑になり、周辺機器が導入されるにつれて、外部イベントを処理するメカニズムの必要性が生じました。

割り込みについての最初の言及は、最も初期の市販コンピュータの 1 つである UNIVAC I コンピュータに起因します。1951 年にリリースされた UNIVAC I は、基本的な形式の割り込みを使用して、入出力操作などのハードウェア イベントを処理しました。

割り込みに関する詳細情報。割り込みのトピックを拡張します。

現代のコンピュータ システムでは、割り込みはハードウェアとソフトウェアの相互作用を効率的に管理するために不可欠です。ハードウェア デバイスが注意を必要とする場合、または特定のソフトウェア イベントが発生すると、割り込みがトリガーされ、CPU の現在のタスクが停止し、割り込み ハンドラ ルーチンに制御が移されます。割り込み ハンドラがタスクを完了すると、CPU は中断されたタスクを再開します。

割り込みは、ハードウェア割り込みとソフトウェア割り込みの 2 つの主なカテゴリに分類できます。ハードウェア割り込みは、キーボード、マウス、ネットワーク カードなどの周辺機器によって外部的に生成されます。一方、ソフトウェア割り込みは通常、オペレーティング システムにサービスを要求するソフトウェア アプリケーションによって生成されます。

割り込みの内部構造。割り込みの仕組み。

割り込みの内部構造は、CPU のアーキテクチャと他のハードウェア コンポーネントとの相互作用に密接に関連しています。割り込みが発生すると、CPU は次の手順を実行します。

1. 割り込み要求 (IRQ): 割り込みデバイスまたはソフトウェアは、CPU に割り込み要求 (IRQ) 信号を送信し、注意が必要であることを示します。

2. 割り込みコントローラCPU は IRQ 信号を受信し、割り込みコントローラに制御を移します。割り込みコントローラは、受信した割り込みの優先順位付けと管理を行います。最新のシステムでは、多数の割り込みソースを処理できる高度な割り込みコントローラが使用されています。

3. 割り込みベクター各割り込みは、割り込みタイプに固有の識別子である割り込みベクターに関連付けられています。割り込みコントローラはこのベクターを使用して、適切な割り込みハンドラ ルーチンを見つけます。

4. 割り込みハンドラ: 割り込みハンドラは、特定の種類の割り込みを処理するために設計された特殊なルーチンです。割り込みを処理し、デバイスからのデータの読み取りやソフトウェア要求への応答などの必要なアクションを実行します。

5. コンテキストスイッチ: 割り込みが発生すると、CPU は、プログラム カウンターやレジスタ値など、中断されたタスクの現在の状態をプロセス制御ブロック (PCB) と呼ばれるデータ構造に保存します。これにより、CPU は進行状況を失うことなく後でタスクを再開できます。

6. 割り込み確認: 割り込みハンドラがタスクを完了すると、CPU は割り込みを認識し、中断されたタスクのコンテキストを復元します。その後、CPU は中断された時点からタスクを再開します。

割り込みの主な機能の分析

割り込みは、現代のコンピュータ システムの効率性と応答性に貢献するいくつかの重要な機能を提供します。

1. 非同期通信: 割り込みにより、デバイスとソフトウェアは CPU と非同期に通信できるようになり、CPU がデバイスを継続的にポーリングするのを待たずに重要なタスクを迅速に処理できるようになります。

2. 優先処理: 割り込みには優先順位を付けることができ、優先順位の高い割り込みが優先順位の低い割り込みよりも先に処理されるようになります。これにより、時間的に重要なイベントを効率的に管理できます。

3. イベント駆動型アーキテクチャ: 割り込みにより、アプリケーションが線形シーケンスに従うのではなく、ユーザー入力やハードウェア信号などの特定のイベントに応答するイベント駆動型プログラミングが可能になります。

4. 効率的なリソースの活用: 必要な場合にのみタスクを一時停止することで、割り込みにより CPU リソースをより有効に活用でき、ポーリングに費やされる無駄なサイクルを防ぐことができます。

5. リアルタイム処理: 産業オートメーションやロボット工学など、外部イベントへのタイムリーな応答が重要なリアルタイム システムでは、割り込みが重要な役割を果たします。

割り込みの種類

割り込みは、その発生源と機能に基づいてさまざまなタイプに分類できます。以下に、一般的な割り込みタイプのリストを示します。

割り込みの使い方、使用上の問題とその解決策

割り込みは、コンピュータ システムのさまざまな側面で広く使用されています。一般的な用途には次のようなものがあります。

1. デバイスインタラクション: ハードウェア割り込みにより、キーボード、マウス、ネットワーク カードなどのデバイスが CPU と効率的に対話できるようになります。

2. タスクの切り替え: オペレーティング システムは割り込みを使用してマルチタスクを実装し、CPU が異なるプロセスまたはスレッドを切り替えることができるようにします。

3. リアルタイムシステム: リアルタイム システムでは、割り込みは時間的に重要なイベントを処理し、外部刺激に対する即時の応答を保証するために不可欠です。

割り込みには利点があるものの、次のような課題が生じる可能性があります。

• 割り込みオーバーヘッド: 頻繁な割り込みはオーバーヘッドを発生させ、システム全体のパフォーマンスに影響を与える可能性があります。

• 割り込み優先度管理: 割り込みの適切な優先順位付けは、リソースの競合を回避し、優先度の高いイベントをタイムリーに処理するために重要です。

• 割り込み遅延: 時間に敏感なアプリケーションでは、割り込み要求とその処理の間の時間 (割り込み遅延) を最小限に抑える必要があります。

これらの問題に対処するために、システム設計者は、割り込み統合、割り込みプリエンプション、効率的な割り込み処理ルーチンなどの手法を採用します。

主な特徴と類似用語との比較

割り込みとポーリング:

• 割り込みはイベント駆動型で非同期ですが、ポーリングはイベントをチェックする継続的かつ同期的な方法です。
• 割り込みは、一定のポーリングで CPU サイクルを無駄にすることを避けるため、より効率的です。

割り込みと例外:

• 割り込みは、CPU の処理を要求するためにハードウェアまたはソフトウェアによって生成される外部イベントです。
• 例外は、エラー状態または特定の命令により CPU 自体によって発生する内部イベントです。

割り込みとトラップ:

• 割り込みは外部イベントに使用され、トラップ (ソフトウェア割り込みとも呼ばれます) はシステム コールなどの内部イベントに使用されます。

割り込みに関する将来の展望と技術

コンピューティングが進歩し続けるにつれて、ハードウェアとソフトウェアの相互作用の複雑さが増す中で割り込みの役割は重要であり続けるでしょう。将来のテクノロジは次のような点に重点を置く可能性があります。

• 強化されたリアルタイム機能: 研究により、リアルタイム アプリケーションの厳しい要求を満たす割り込み処理が改善される可能性があります。

• エネルギー効率の高い割り込み処理: ポータブル デバイスとデータ センターでの割り込みオーバーヘッドと電力消費を削減する手法。

• 革新的な優先順位付けメカニズム: リソース使用率を最適化し、応答性を確保するための、より洗練された割り込み優先順位付けスキーム。

プロキシサーバーの使用方法や割り込みとの関連付け方法

プロキシ サーバーは、ネットワーク環境での割り込み管理において重要な役割を果たします。複数のクライアントがプロキシ経由でインターネットにアクセスする場合、プロキシは DNS 解決、コンテンツのキャッシュ、接続の管理などの割り込みを効率的に処理できます。プロキシ サーバーは仲介役として動作することで、ネットワーク トラフィックを最適化し、全体的なブラウジング エクスペリエンスを向上させることができます。

関連リンク

割り込みに関する詳細については、次のリソースを参照してください。

1. 割り込みと割り込みハンドラ
2. 割り込みとトラップの概要
3. Linux における割り込み処理