コラム① ? 汎用OSと割り込み禁止

UNIXやLinux、Windowsなどのいわゆる汎用OS（個人向け汎用OSと呼ぶべきかもしれませんが）の場合は、アプリケーションプログラムからOSに処理が切り替わった時、言い換えるとOSの実行が開始されると、同時に原則として割り込みを禁止します。
これはOS自身を作りやすくするためです。汎用OSはRTOSと異なりMMU(TLB)を利用してプロセスごとに独立したアドレス空間を与えています。これはつまりプロセスが切り替わる時には、RTOSで実行しているタスク実行環境の切り替え以外に、プロセスごとに存在する論理（仮想）アドレスを物理アドレスに変換するためのページテーブルの切り替えも必要ということです。また汎用OSはハードディスクとのやり取りや人間とのやり取りなど、処理に時間のかかるI/Oとのやり取りもRTOSに比べるとはるかに多く複雑です。
まだデバイスドライバの説明はしていないので、難しいかもしれませんが、例えばOSがドライバ（デバイス）に対してデータをあるアドレスに書き込むことを指示していたとします。その後デバイスはCPUとは独立して実行を続け、そのデバイスからの割り込みによって先ほど指示されたアドレスにデータを書き込もうとしても、すでにそのアドレスのメモリは別のプロセスが別の用途に使っているかもしれません。
このように汎用OSはRTOSとは別の種類の解決しなければならないことがあります。ここにOS自身の多重化も考慮するとなると複雑になり過ぎます。OS実行中に割り込みを禁止しておけばOS自身の排他制御に関しては気にしなくてもよくなります。
そもそも汎用OSの目的はスループットの向上などRTOSの目的とは異なります。リアルタイム性の向上とスループットの向上は実現手段が異なります。極端な言い方をすると、一つのことをやりだした場合は、他を気にせず集中してそれを最後までやり遂げたほうが作業量は増えそうですよね。それが汎用OSでOSの実行中は割り込みを禁止する理由です。

なお、以上のような理由で、組込みシステムに対応するためのLinuxやWindowsなどのリアルタイム化にはカーネル内部における割り込みを許可している部分を増やすという内容も含まれています。

コラム② ? 割り込みと関数

割り込み処理ルーチン(ISR)や割り込みハンドラ（以後一括してISR）は関数と似ている点もありますが、異なっている点も多くあります。
まず関数の場合は、その関数を呼び出している命令（プログラム）が必ずあります。ソースプログラムの構造などをチェックする静的解析ツールにかけると呼び出し元がない関数は、デッドコード（実行されることがない命令）として警告を受けるくらいです。
しかしISRは現実に実行されます。ではどこから呼び出されるのでしょうか？
どこまで厳密に言うかは別として、いわばISRはCPUハードウェア自身から呼び出されていると考えてもよいでしょう。
つまり呼び出し元はほかのソフトウェアではなく、ハードウェアということです。具体的には外部割込みによりソフトウェアが呼ぶ出されるわけです。外部割込みが外部の変化を伝えるものなので、外部変化がソフトウェアを呼び出すわけです。これは現実物理世界が変化をソフトウェアに伝える仕組みそのものです。
外部割込みが発生するとFSM（Finite State Machine - 有限状態機械）であるCPUは自分自身の状態を変化させます。FSMの話に踏み込むと長くなるので、話はまた別の機会に譲りますが、割り込みは発生するとCPUは自分自身の状態を変化させます。
CPUの状態としては種類はありますが、ソフトウェアからよく見える状態としては一般的にはPSW（プロセッサ・ステータス・ワード、個々のCPUでSR（ステータス・レジスタ）やFLG（フラグレジスタ）など呼び方は異なります）と呼ばれるレジスタに見られる割り込み関連の状態などもわかりやすいでしょう。割り込みを禁止/許可の制御を行う割り込みマスク（すべての外部割り込みを一括して禁止／許可できる機能とその時のCPUの状態を示す）や割り込みに優先度を持たせているCPUの場合は実行されている割り込みレベルを示したたり、レベルによる割り込みの禁止／許可できる機能などがCPUにはありPSWからそれを知ることができます。

コラム③ ? 割り込み処理ルーチンと割り込みハンドラ

外部割込み発生時の通常の動作は“必要最低限の動作終了後は速やかにスケジューラ（ディスパッチャ）に飛ぶ”です。割り込みが発生したということは外部の状況に何らかの変化があった可能性があるわけで、その変化を待っていたタスクがいた場合は、そのタスクを再開させなければならない場合もあるはずです。そのためにスケジューラに飛ぶのですが、割り込み発生にRTOSのスケジューラが実行される分だけアプリケーションに関係のないソフトウェア（RTOSのことです）が実行されることになります。アプリケーションに割り当てるCPU時間が足りなくなる場合もあります。デバイスドライバの割り込みは基本的には毎回スケジューラを呼び出すべきですが、毎回スケジューラが実行されると時間が足りなくなるような場合は、複数回分の割り込みに対応する処理をまとめて行うようにシステムを構成する場合もあります。そのような場合スケジューラに飛ばずに直接割り込まれた部分に戻ったほうが都合がよい場合もあります。
これを実現するには、自分で関数の最後に機械語の命令の割り込みからの復帰命令をおいてもよいのですが、関数の先頭で実施されるレジスタの保存命令に対するレジスタの復元命令もきちんとしてやるなどの処理は必要になります。そこでVxWorksではintConnectとintVecSetという二種類のAPI(システムコール)が用意されています。
intConnectはISRに必要な定型処理は自動生成して、その途中でユーザーの作った関数を呼び出してくれるため、ユーザーはアルゴリズム的には（内容は）ISRだということはもちろん意識して作成しなければなりませんが、形式的手続き的には全く普通の関数を作るのと変わりなく作成することができます。一方intVecSetはハードウェア的に割り込みベクタテーブルのあるCPUの場合は単に割り込みベクタテーブルに指定の関数のアドレスを書き込むだけです。そのため登録する関数は内容だけでなく、形もちゃんとISRであることを意識してその形式で作成する必要があります。
さらにVxWorks5.5.xではRISC系でハードウェア的に割り込みベクタテーブルを持たないCPUの場合、VxWorksはソフトウェア的に割り込みベクタテーブルを提供することによりタスクのアプリケーションコードの互換性や作りやすさに配慮していました。ただしその場合はintVecSetを使用してもスケジューラの呼び出しを行っていました。その時は割り込み処理から直接呼ばれた部分に復帰させたい場合は、呼び出し部分と割り込み処理の戻り部分を自分で作成する必要はあります。
RTOSの中には、スケジューラに戻る割り込み処理を割り込み処理ルーチン(ISR)、直接呼ばれた部分に戻る割り込み処理を割り込みハンドラと区別しているものもありますが、VxWorksなどほとんどのRTOSは特にその区別はありません。

コラム④ ? タスクとISR

並列処理の実行単位であるタスクと割り込み処理の並列性、排他制御に関する特徴を次にまとめました。

^* RTOS使用時の割り込みも通常同じである

■著者プロフィール

南角 茂樹（なんかく しげき）

大阪電気通信大学 総合情報学部 メディアコンピュータシステム学科 准教授、同大学院総合情報学研究科（コンピュータサイエンス専攻）、エイシップ・ソリューションズ株式会社 研究顧問。
慶應義塾大学工学部数理工学科卒業後、大手電機会社を経て現職。組み込みシステムおよびリアルタイムOSを専門とし、著書、解説記事、発表・講演、登録特許等多数。