割込みとは？

割込みの意味

実行中の処理を中断し、あらかじめ登録された処理へ制御を移す仕組み。入出力完了やタイマなど実行中の命令と無関係な要因による外部割込みと、ゼロ除算・不正命令・ページフォールトなど実行中の命令に起因する内部割込みに分かれる。

割込みの具体例

タイマ割込みでOSがCPUを取り上げることで、プリエンプティブなタスク切替えが成立する。割込みが起きるとプログラムカウンタや各レジスタを退避し、処理を終えたら復元して中断した箇所から再開する。

割込みは試験でどう引っ掛けられる？

内部割込みは例外とも呼ばれ、原因は自分自身の命令にある。ページフォールトは内部割込み、入出力完了は外部割込みという分類を取り違えやすい。またポーリングは割込みではなく、プロセッサ側から状態を見に行く方式。

割込みと関連する用語

• DMA
• タスク管理
• リアルタイムOS

割込みが出た過去問

• CPUのスタックポインタが示すものはどれか。

  正解：サブルーチン呼出し時に，戻り先アドレス及びレジスタの内容を格納するメモリのアドレス

  要点：スタックポインタは退避データを積む位置を指す

  スタックポインタは、スタック領域の先頭位置を保持するレジスタである。サブルーチン呼出しや割込みの際に戻り先アドレスやレジスタ内容を退避する場所を示す。

  出典：平成28年度 春期 応用情報技術者試験 午前 問8（IPA）

• 16ビットのダウンカウンタを用い，カウンタの値が0になると割込みを発生するハードウェアタイマがある。カウンタに初期値として10進数の150をセットしてタイマをス…

  正解：300

  要点：タイマの割込み周期は分周後のクロック周期×カウント値

  入力クロック16MHzを32分周するとカウント用クロックは16÷32=0.5MHz、すなわち周期2マイクロ秒になる。150をセットしたダウンカウンタが0になるまでに150カウント必要なので、2×150=300マイクロ秒後に最初の割込みが発生する。

  出典：平成29年度 春期 応用情報技術者試験 午前 問22（IPA）

• CPUのスタックポインタが示すものとして、最も適切なものはどれか。

  正解：サブルーチン呼出し時に、戻り先アドレス、レジスタの内容などを格納するメモリのアドレス

  要点：スタックポインタはスタックの先頭アドレスを保持する

  スタックポインタは、スタック領域の先頭（次に読み書きする位置）のアドレスを保持するレジスタである。サブルーチン呼出しや割込みの際に、戻り先アドレスやレジスタの内容を退避するのがこのスタック領域であり、その位置を示すのがスタックポインタである。

  出典：令和2年度 10月 応用情報技術者試験 午前 問8（IPA）

• 優先度に基づくプリエンプティブなスケジューリングを行うリアルタイムOSにおける割込み処理の説明のうち、適切なものはどれか。ここで、割込み禁止状態は考慮しないもの…

  正解：割込み処理ルーチンは、最も優先度の高いタスクよりも優先して実行される。

  要点：割込み処理ルーチンは最優先タスクよりも先に実行される

  割込み処理ルーチンは、タスクスケジューリングの枠組みの外でハードウェアの割込みによって起動されます。そのため、実行中のタスクがどれだけ優先度の高いタスクであっても、それを中断して先に実行されます。処理が長引くとタスクの実行が遅れるので、割込み処理は短く保つのが原則です。

  出典：令和4年度 秋期 応用情報技術者試験 午前 問18（IPA）

• プリエンプティブな優先度ベースのスケジューリングで実行する二つの周期タスクA及びBがある。タスクBが周期内に処理を完了できるタスクA及びBの最大実行時間及び周期…

  正解：タスクA：最大実行時間2、周期4／タスクB：最大実行時間3、周期8

  要点：低優先度タスクの応答時間は高優先度の割込み分を加算

  優先度の高いタスクAが割り込むため、タスクBの応答時間は自身の実行時間にAの割込み分を加えて求める。選択肢アでは、Bの応答時間はt=3から始めて3+ceil(t/4)×2を繰り返すと5、7と増えて7で収束し、Bの周期8以内に収まる。ほかの選択肢はいずれも収束値が周期を超えるか、そもそもCPU使用率の合計が1を超えて実行できない。

  出典：令和5年度 秋期 応用情報技術者試験 午前 問17（IPA）