割り込み

デジタルコンピュータでは、割り込み（トラップと呼ばれることもある）^[1]は、プロセッサが現在実行中のコードに割り込む（許可されている場合）ように要求するもので、これによりイベントが適時に処理される。要求が受け入れられると、プロセッサは現在の動作を一時停止し、状態を保存し、割り込みハンドラ（または割り込みサービスルーチン、ISR）と呼ばれる関数を実行してイベントを処理する。この割り込みは一時的なものであることが多く、割り込みハンドラの終了後にソフトウェアが通常の動作を再開できるようにする^が、割り込みが致命的なエラーを示している可能性もある。^[2]

割り込みは、ハードウェアデバイスによって、時間的に敏感な注意を必要とする電子的または物理的な状態の変化を示すために一般的に使用されます。割り込みは、特にリアルタイムコンピューティングにおいて、コンピュータのマルチタスクとシステムコールを実装するためにもよく使用されます。このように割り込みを使用するシステムは、割り込み駆動型であると言われています。^[3]

ハードウェア割り込みは最適化として導入され、外部イベントを待つポーリングループでの非生産的な待機時間を排除しました。このアプローチを採用した最初のシステムは1954年に完成したDYSEACでしたが、それ以前のシステムでもエラートラップ機能が提供されていました。^[4]

UNIVAC 1103Aコンピュータは、1953 年に初めて割り込みを使用したと一般に考えられています。^{[5] [6]}それ以前のUNIVAC I (1951) では、「算術オーバーフローは、アドレス 0 で 2 つの命令の修正ルーチンの実行をトリガーするか、プログラマーの選択によりコンピュータを停止させました。」IBM 650 (1954) は、割り込みマスクを初めて採用しました。国立標準局 DYSEAC (1954) は、I/O に割り込みを使用した最初のコンピュータです。IBM 704 は、分岐命令に遭遇したときに特別なルーチンを呼び出すことができる「転送トラップ」を使用して、デバッグに割り込みを使用した最初のコンピュータです。MITリンカーン研究所 TX-2システム (1957) は、複数レベルの優先割り込みを提供した最初のコンピュータです。^[6]

割り込み信号は、ハードウェア イベントまたはソフトウェアイベントに応答して発行される場合があります。これらは、それぞれハードウェア割り込みまたはソフトウェア割り込みとして分類されます。特定のプロセッサでは、割り込みの種類の数はアーキテクチャによって制限されます。

ハードウェア割り込みは、ハードウェアの状態に関連する状態であり、 PC の割り込み要求(IRQ) ラインなどの外部ハードウェア デバイスによって通知されるか、プロセッサ ロジックに組み込まれたデバイス (IBM System/370 の CPU タイマーなど) によって検出され、デバイスがオペレーティング システム(OS) ^[7]または OS がない場合はCPU で実行されているベア メタルプログラムからの注意を必要としていることを伝えます。このような外部デバイスは、コンピュータの一部である場合 (ディスク コントローラなど) もあれば、外部周辺機器である場合もあります。たとえば、キーボードのキーを押したり、 PS/2 ポートに接続されたマウスを動かしたりすると、ハードウェア割り込みがトリガーされ、プロセッサがキーストロークまたはマウスの位置を読み取ります。

ハードウェア割り込みは、プロセッサ クロックに対して非同期で、命令実行中のいつでも発生する可能性があります。その結果、すべての着信ハードウェア割り込み信号はプロセッサ クロックに同期して調整され、命令実行境界でのみ動作します。

多くのシステムでは、各デバイスは特定の IRQ 信号に関連付けられています。これにより、どのハードウェア デバイスがサービスを要求しているかを迅速に判断し、そのデバイスのサービスを迅速に行うことができます。

1964年のCDC 3600などの古いシステムでは、^[8]すべての割り込みは同じ場所に送られ、OSは特別な命令を使用して、最も優先度の高い未処理のマスクされていない割り込みを決定していました。現代のシステムでは、通常、割り込みの種類ごとに（または割り込みソースごとに）個別の割り込みルーチンがあり、1つ以上の割り込みベクターテーブルとして実装されることがよくあります。

割り込みをマスクすると割り込みは無効になり、プロセッサによって延期^[b]または無視^{[c]されますが、割り込みを}マスク解除すると割り込みが有効になります。^[9]

プロセッサには通常、内部割り込みマスクレジスタ^[d]があり、ハードウェア割り込みを選択的に有効^[2]（および無効）にすることができます。各割り込み信号は、マスクレジスタのビットに関連付けられています。一部のシステムでは、ビットがセットされていると割り込みが有効になり、ビットがクリアされていると無効になります。他のシステムではその逆で、セットされたビットが割り込みを無効にします。割り込みが無効になっている場合、関連する割り込み信号はプロセッサによって無視されるか、保留のままになります。マスクの影響を受ける信号は、マスク可能な割り込みと呼ばれます。

一部の割り込み信号は割り込みマスクの影響を受けないため、無効にすることはできません。これらはマスク不可能割り込み(NMI) と呼ばれます。これらは、ウォッチドッグタイマーからのタイムアウト信号など、いかなる状況でも無視できない高優先度のイベントを示します。SPARC に関しては、マスク不可能割り込み (NMI) は割り込みの中で最も優先度が高いにもかかわらず、割り込みマスクを使用することで発生を防ぐことができます。^[10]

障害モードの 1 つは、ハードウェアが状態の変化に対して予期される割り込みを生成せず、オペレーティング システムが無期限に待機する状態になることです。詳細に応じて、障害は単一のプロセスのみに影響する場合もあれば、グローバルな影響を及ぼす場合もあります。一部のオペレーティング システムには、これを処理するためのコードが用意されています。

たとえば、IBMオペレーティング システム/360 (OS/360) は、テープがテープ ドライブにマウントされたときに、準備完了から準備完了までのデバイス終了割り込みに依存しており、その割り込みが発生するかシミュレートされるまでテープ ラベルを読み取りません。IBM は、VARY ONLINE コマンドがターゲット デバイスでデバイス終了割り込みをシミュレートするように、OS/360 にコードを追加しました。

スプリアス割り込みは、ソースが見つからないハードウェア割り込みです。この現象を説明するために、「ファントム割り込み」または「ゴースト割り込み」という用語も使用されることがあります。スプリアス割り込みは、レベルセンシティブなプロセッサ入力に接続されたワイヤード OR割り込み回路で問題になる傾向があります。このような割り込みは、システムが誤動作したときに特定するのが難しい場合があります。

ワイヤード OR 回路では、割り込みラインのバイアス抵抗器を介して充電/放電される寄生容量により、プロセッサが割り込みソースがクリアされたことを認識するまでにわずかな遅延が発生します。割り込みデバイスが割り込みサービス ルーチン (ISR) 内でクリアされるのが遅すぎると、ISR の現在のインスタンスが終了する前に割り込み回路が静止状態に戻る時間が足りません。その結果、割り込み要求入力の電圧が内部ロジック 1 またはロジック 0 を明確に確立できるほど高くも低くもないため、プロセッサは別の割り込みが保留中であると認識します。見かけ上の割り込みには識別可能なソースがないため、「スプリアス」という名前が付けられています。

スプリアス割り込みは、回路設計の欠陥、高ノイズレベル、クロストーク、タイミングの問題、またはまれにデバイスのエラッタによる電気的異常の結果である可能性もあります。^[11]

ISR がそのような割り込みの発生の可能性を考慮していない場合、スプリアス割り込みによってシステム デッドロックやその他の未定義の操作が発生する可能性があります。スプリアス割り込みは主にワイヤード OR 割り込み回路で発生する問題であるため、そのようなシステムでのプログラミングの適切な方法は、ISR がすべての割り込みソースのアクティビティをチェックし、割り込みが発生していない場合は何もアクションをとらない (イベントをログに記録する以外) ことです。不利なシナリオでは、コンピュータのクラッシュにつながる可能性もあります。

ソフトウェア割り込みは、特定の命令を実行するとき、または特定の条件が満たされたときに、プロセッサ自体によって要求されます。すべてのソフトウェア割り込み信号は、特定の割り込みハンドラに関連付けられています。

ソフトウェア割り込みは、実行時に割り込みを引き起こすように設計された特別な命令を実行することによって意図的に発生する場合があります。 ^[e]このような命令はサブルーチン呼び出しと同様に機能し、オペレーティングシステムのサービスの要求やデバイスドライバーとの対話（ストレージメディアの読み取りまたは書き込みなど）など、さまざまな目的で使用されます。ソフトウェア割り込みは、プログラム実行エラーや仮想メモリシステムによってもトリガーされることがあります。

通常、オペレーティングシステムのカーネルがこのような割り込みをキャッチして処理します。一部の割り込みはプログラムに対して透過的に処理されます。たとえば、ページフォールトの通常の解決方法は、物理メモリ内の必要なページにアクセスできるようにすることです。ただし、セグメンテーションフォールトなどの他のケースでは、オペレーティングシステムがプロセスコールバックを実行します。Unix系の オペレーティングシステムでは、これにはSIGSEGV、SIGBUS、SIGILL、SIGFPEなどのシグナルの送信が含まれ、シグナルハンドラを呼び出すか、デフォルトのアクション (プログラムの終了) を実行します。Windows では、コールバックは構造化例外処理を使用して、 STATUS_ACCESS_VIOLATION や STATUS_INTEGER_DIVIDE_BY_ZERO などの例外コードとともに行われます。^[12]

カーネルプロセスでは、一部の種類のソフトウェア割り込みは発生しないはずであることがよくあります。それでも発生すると、オペレーティング システムがクラッシュする可能性があります。

割り込み、トラップ、例外、障害、およびアボートという用語は、割り込みの種類を区別するために使用されますが、「これらの用語の正確な意味については明確なコンセンサスがありません」。^[13]トラップという用語は、任意の割り込み、任意のソフトウェア割り込み、任意の同期ソフトウェア割り込み、または名前にトラップが含まれる命令によって引き起こされる割り込みのみを指す場合があります。一部の用法では、トラップという用語は、モニタープログラムまたはデバッガーへのコンテキストスイッチを開始するためのブレークポイントを具体的に指します。^[1]また、例外的な条件（ゼロ除算、無効なメモリアクセス、不正なオペコードなど）によって引き起こされる同期割り込みを指す場合もありますが、^{[13]この場合は}例外という用語の方が一般的です。

x86 は割り込みを (ハードウェア)割り込みとソフトウェア例外に分類し、フォールト、トラップ、アボートの 3 種類の例外を識別します。^{[14] [15]} (ハードウェア) 割り込みは、I/O デバイスによって非同期にトリガーされる割り込みであり、連続性を失うことなくプログラムを再開できます。^[14]フォールトも再開可能ですが、命令の同期実行に関連付けられています。つまり、戻りアドレスはフォールトが発生した命令を指します。トラップは、戻りアドレスがトラップ命令の後に実行される命令を指す点を除いてフォールトに似ています。^{[16]主な用途の 1 つは、}システム コールを実装することです。^[15]アボートは、ハードウェア エラーやシステム テーブル内の不正な値などの重大なエラーに使用され、多くの場合^[f]プログラムの再開を許可しません。^[16]

Armは、すべての種類の割り込みを指すために例外という用語を使用し、 ^[17]例外を（ハードウェア）割り込み、アボート、リセット、例外生成命令に分類しています。アボートはx86例外に対応し、プリフェッチアボート（命令フェッチの失敗）またはデータアボート（データアクセスの失敗）であり、同期または非同期の場合があります。非同期アボートは正確な場合も不正確な場合もあります。MMUアボート（ページフォールト）は同期です。^[18]

RISC-V では、割り込みを全体的な用語としてだけでなく外部サブセットにも使用します。内部割り込みは例外と呼ばれます。

各割り込み信号入力は、ロジック信号レベルまたは特定の信号エッジ (レベル遷移) のいずれかによってトリガーされるように設計されています。レベル感知入力は、特定の (高または低) ロジック レベルが入力に適用されている限り、プロセッサ サービスを継続的に要求します。エッジ感知入力は信号エッジに反応します。特定の (立ち上がりまたは立ち下がり) エッジによってサービス要求がラッチされ、割り込みハンドラが実行されるとプロセッサはラッチをリセットします。

レベルトリガー割り込みは、割り込み信号を特定の (高または低) アクティブロジック レベルに保持することによって要求されます。デバイスは、信号をアクティブ レベルに駆動して保持することによって、レベル トリガー割り込みを呼び出します。デバイスは、通常、デバイスのサービスが完了した後、プロセッサから命令があったときに信号を否定します。

プロセッサは、各命令サイクル中に割り込み入力信号をサンプリングします。サンプリングが発生したときに信号がアサートされている場合、プロセッサは割り込み要求を認識します。

レベル トリガー入力により、複数のデバイスがワイヤード OR 接続を介して共通の割り込み信号を共有できます。プロセッサはポーリングして、どのデバイスがサービスを要求しているかを判断します。デバイスにサービスを提供した後、プロセッサは再度ポーリングし、必要に応じて ISR を終了する前に他のデバイスにサービスを提供する場合があります。

エッジトリガー割り込みは、割り込みラインのレベル遷移(立ち下がりエッジ (高から低) または立ち上がりエッジ (低から高))によって通知される割り込みです。割り込みを通知するデバイスは、ラインにパルスを駆動し、ラインを非アクティブ状態にします。パルスが短すぎてポーリング I/Oで検出できない場合は、それを検出するために特別なハードウェアが必要になることがあります。エッジ トリガーの重要な点は、割り込みをトリガーするために信号が遷移する必要があることです。たとえば、信号が高-低-低の場合、トリガーされる立ち下がりエッジ割り込みは 1 つだけであり、低レベルが継続してもそれ以上の割り込みはトリガーされません。信号がさらに割り込みをトリガーするには、高レベルに戻って再び下降する必要があります。これは、信号が高レベルに戻るまで、低レベルが引き続き割り込み (有効な場合) を作成するレベル トリガーとは対照的です。

エッジ トリガー割り込みを備えたコンピュータには、保留中の割り込みのステータスを保持する割り込みレジスタが含まれている場合があります。割り込みレジスタを備えたシステムには、通常、割り込みマスク レジスタも含まれています。

プロセッサは、各命令サイクル中に割り込みトリガー信号または割り込みレジスタをサンプリングし、検出された最も優先度の高い有効な割り込みを処理します。トリガー方法に関係なく、プロセッサは検出されたトリガーに続く次の命令境界で割り込み処理を開始するため、次のことが保証されます。

• プロセッサ ステータス^[g]は既知の方法で保存されます。通常、ステータスは既知の場所に保存されますが、一部のシステムではスタックに保存されます。
• PC が指す命令より前のすべての命令が完全に実行されました。
• PC によって指示される命令以外の命令は実行されていないか、または割り込みを処理する前にそのような命令が取り消されます。
• PC が指す命令の実行状態がわかります。

割り込みを処理するためのアーキテクチャにはいくつか種類があります。その中には、最高優先度の割り込みをスキャンしなければならない単一の割り込みハンドラ^[19]があるものもあります。他のアーキテクチャでは、異なる割り込みタイプ、異なるI/Oチャネルまたはデバイス、またはその両方に対して別々の割り込みハンドラがあります。^{[21] [22]複数} の割り込み原因が同じ割り込みタイプを持つ場合があり、したがって同じ割り込みハンドラがあり、割り込みハンドラが原因を判別する必要があります。^[20]

割り込みは、CPU によってハードウェアで完全に処理される場合もあれば、CPU と、プログラム可能な割り込みコントローラやサウスブリッジなどの別のコンポーネントの両方によって処理される場合もあります。

追加のコンポーネントを使用する場合、そのコンポーネントは割り込みデバイスとプロセッサの割り込みピンの間に接続され、通常利用可能な 1 つまたは 2 つの CPU ラインに複数の割り込みソースを多重化します。メモリ コントローラの一部として実装されている場合、割り込みはシステムのメモリアドレス空間にマップされます。^{[引用が必要]}

システムオンチップ（SoC）実装では、割り込みはチップのさまざまなブロックから発生し、通常は1つまたは複数のプロセッサ（マルチコアシステムの場合）に接続された割り込みコントローラに集約されます。^[23]

複数のデバイスが、そのように設計されている場合、エッジ トリガー割り込みラインを共有できます。割り込みラインにはプルダウンまたはプルアップ抵抗器が必要です。これにより、アクティブに駆動されていないときは、デフォルトの状態である非アクティブ状態に落ち着きます。デバイスは、ラインを一時的に非デフォルト状態に駆動して割り込みを通知し、割り込みを通知していないときはラインをフロート状態にします (アクティブに駆動しません)。このタイプの接続は、オープン コレクタとも呼ばれます。ラインには、すべてのデバイスによって生成されたすべてのパルスが伝送されます (これは、一部のバスや路面電車の引きひもに似ています。乗客はこれを引っ張って、運転手に停車を要求する信号を送ることができます)。ただし、異なるデバイスからの割り込みパルスが時間的に近い場合は、それらのパルスが結合される可能性があります。割り込みが失われないようにするには、CPU はパルスの立ち下がりエッジ (たとえば、ラインがプルアップされてローに駆動されている場合は立ち上がりエッジ) でトリガーする必要があります。割り込みを検出した後、CPU はすべてのデバイスのサービス要件をチェックする必要があります。

エッジ トリガー割り込みは、レベル トリガー割り込みが共有に関して抱える問題に悩まされることはありません。優先度の低いデバイスのサービスは任意に延期できますが、優先度の高いデバイスからの割り込みは引き続き受信され、サービスされます。CPU がサービス方法を知らないデバイスがあり、それが誤った割り込みを発生させる可能性がある場合、他のデバイスの割り込み信号には影響しません。ただし、エッジ トリガー割り込みは、たとえば割り込みが一定期間マスクされている場合など、簡単に見逃され、イベントを記録する何らかのハードウェア ラッチがない限り、回復は不可能です。この問題は、プロセッサが何かを行う必要があることを認識しなかったため、初期のコンピュータ ハードウェアで多くの「ロックアップ」を引き起こしました。最近のハードウェアには、割り込み要求をラッチする 1 つ以上の割り込みステータス レジスタが備わっていることがよくあります。適切に記述されたエッジ駆動割り込み処理コードは、これらのレジスタをチェックして、イベントが見逃されていないことを確認できます。

業界標準アーキテクチャ(ISA) バスはエッジ トリガー割り込みを使用しますが、デバイスが IRQ ラインを共有できることは必須ではありません。ただし、主流の ISA マザーボードはすべて IRQ ラインにプルアップ抵抗を備えているため、正常に動作する ISA デバイスが IRQ ラインを共有している場合は問題なく動作します。パラレル ポートもエッジ トリガー割り込みを使用します。古いデバイスの多くは IRQ ラインを排他的に使用するものと想定しているため、IRQ ラインを共有するのは電気的に安全ではありません。

複数のデバイスを「同じラインを共有」して起動する方法は 3 つあります。1 つ目は、排他的導通 (スイッチング) または排他的接続 (ピンへの) です。2 つ目はバス (すべて同じラインに接続され、リスニング中) です。バス上のカードは、いつ通信するか、いつ通信しないか (つまり、ISA バス) を認識している必要があります。通信は、アキュムレータ ラッチまたはロジック ゲートの 2 つの方法でトリガーできます。ロジック ゲートは、キー信号を監視する継続的なデータ フローを期待します。アキュムレータは、リモート側がしきい値を超えてゲートを励起した場合にのみトリガーするため、ネゴシエートされた速度は必要ありません。それぞれに速度と距離の利点があります。トリガーは一般に、励起を検出する方法であり、立ち上がりエッジ、立ち下がりエッジ、しきい値 (オシロスコープはさまざまな形状と条件でトリガーできます) があります。

ソフトウェア割り込みのトリガーは、ソフトウェア (OS とアプリの両方) に組み込まれている必要があります。'C' アプリには、ヘッダーにトリガー テーブル (関数のテーブル) があり、アプリと OS の両方がこれを認識して、ハードウェアとは関係なく適切に使用します。ただし、これを CPU に信号を送るハードウェア割り込みと混同しないでください (CPU は、ソフトウェア割り込みと同様に、関数のテーブルからソフトウェアを実行します)。

割り込みラインを共有する複数のデバイス (トリガー スタイルは問いません) は、すべて互いに疑似割り込みソースとして機能します。 1 つのラインに多数のデバイスがある場合、割り込みを処理する際の作業負荷はデバイス数の 2 乗に比例して増大します。 したがって、利用可能な割り込みライン全体にデバイスを均等に分散することが推奨されます。 割り込みラインが個別の物理導体である古いシステム設計では、割り込みラインの不足が問題になります。 割り込みラインが仮想であるメッセージ シグナル割り込みは、新しいシステム アーキテクチャ ( PCI Expressなど) で好まれ、この問題を大幅に軽減します。

プログラミング インターフェイスの設計が不十分なデバイスの中には、サービスを要求したかどうかを判断する方法がないものがあります。不要なサービスを受けると、デバイスがロックしたり、誤動作したりすることがあります。このようなデバイスは、誤った割り込みを許容できないため、割り込み ラインの共有も許容できません。ISAカードは、多くの場合、設計と構築が安価なため、この問題で有名です。ハードウェア ロジックが安価になり、新しいシステム アーキテクチャで共有可能な割り込みが必須になった ため、このようなデバイスはますます少なくなっています。

一部のシステムでは、レベル トリガーとエッジ トリガーの信号方式を組み合わせて使用​​します。ハードウェアはエッジを探すだけでなく、割り込み信号が一定期間アクティブのままであるかどうかも確認します。

ハイブリッド割り込みの一般的な用途は、NMI (マスク不可能割り込み) 入力です。NMI は一般に重大な、あるいは壊滅的なシステム イベントを通知するため、この信号の適切な実装では、一定期間アクティブのままであることを確認することで割り込みが有効であることを確認します。この 2 段階のアプローチにより、誤った割り込みがシステムに影響するのを防ぐことができます。

メッセージシグナル割り込みは、物理的な割り込みラインを使用しません。代わりに、デバイスは、通常はコンピュータ バスなどの通信媒体を介して短いメッセージを送信することで、サービス要求をシグナルします。メッセージは、割り込み用に予約されているタイプの場合もあれば、メモリ書き込みなどの既存のタイプの場合もあります。

メッセージ シグナル割り込みは、割り込みが連続的な状態ではなく瞬間的な信号であるという点で、エッジ トリガー割り込みと非常によく似た動作をします。割り込み処理ソフトウェアは、これら 2 つをほぼ同じように扱います。通常、同じメッセージ (同じ仮想割り込みライン) を持つ複数の保留中のメッセージ シグナル割り込みは、間隔が狭いエッジ トリガー割り込みがマージできるのと同様に、マージできます。

メッセージ シグナル割り込みベクターは、基礎となる通信媒体を共有できる範囲で共有できます。追加の作業は必要ありません。

割り込みの ID はデータ ビットのパターンによって示され、別の物理的な導体を必要としないため、より多くの個別の割り込みを効率的に処理できます。これにより、共有の必要性が減ります。割り込みメッセージは、追加のラインを必要とせずにシリアル バス経由で渡すこともできます。

シリアル コンピュータ バスであるPCI Express は、メッセージ信号割り込みのみを使用します。

コンピュータ システムに適用される押しボタンの例えでは、ドアベルまたはドアベル割り込みという用語は、ソフトウェアシステムがコンピュータ ハードウェアデバイスに、実行すべき作業があることを信号で知らせたり通知したりするメカニズムを表すためによく使用されます。通常、ソフトウェア システムは、よく知られた相互に合意されたメモリ位置にデータを置き、別のメモリ位置に書き込むことによって「ドアベルを鳴らします」。この別のメモリ位置はドアベル領域と呼ばれることが多く、この領域には異なる目的を果たす複数のドアベルがある場合もあります。メモリのドアベル領域に書き込むというこの動作によって「ベルが鳴らされ」、ハードウェア デバイスにデータの準備ができ待機していることが通知されます。これで、ハードウェア デバイスはデータが有効であり、処理可能であることを認識します。通常、データは ハード ディスク ドライブに書き込まれるか、ネットワーク経由で送信されるか、暗号化されるなど します。

ドアベル割り込みという用語は、通常、誤った名称です。デバイスによって何らかの作業が行われるため、割り込みと似ていますが、ドアベル領域はポーリング領域として実装される場合もあれば、物理デバイスレジスタに書き込まれる場合もあり、ドアベル領域が物理デバイス レジスタに直接ハードワイヤードされる場合もあります。物理デバイス レジスタに書き込む場合も直接書き込む場合も、デバイスの中央処理装置 ( CPU ) がある場合、CPU で実際の割り込みが発生する可能性があります。

ドアベル割り込みは、メッセージシグナル割り込みといくつかの類似点があるため、比較することができます。

マルチプロセッサシステムでは、プロセッサはプロセッサ間割り込み^[h] (IPI)を介して別のプロセッサに割り込み要求を送信することがあります。

割り込みは、低負荷時にはオーバーヘッドが低く、待ち時間も良好ですが、いくつかの問題を防ぐための注意を払わない限り、割り込み率が高い場合には大幅に性能が低下します。割り込み処理に過剰な処理時間が費やされ、システム全体のパフォーマンスが著しく低下する現象は、割り込みストームと呼ばれます。

ライブロックにはさまざまな形態があり、システムが割り込み処理にすべての時間を費やして他の必要なタスクを実行できない状態です。極端な状況では、多数の割り込み（非常に高いネットワークトラフィックなど）によりシステムが完全に停止する可能性があります。このような問題を回避するには、オペレーティングシステムはプロセス実行のスケジュールと同じくらい慎重にネットワーク割り込み処理をスケジュールする必要があります。^[24]

マルチコアプロセッサでは、マルチキューNICを使用すると、受信側スケーリング（RSS）によって割り込み処理のパフォーマンスをさらに向上させることができます。このようなNICは、個別の割り込みに関連付けられた複数の受信キューを提供します。これらの各割り込みを異なるコアにルーティングすることで、単一のNICが受信したネットワークトラフィックによってトリガーされた割り込み要求の処理を複数のコアに分散できます。コア間の割り込みの分散は、オペレーティングシステムによって自動的に実行することも、割り込みのルーティング（通常はIRQアフィニティと呼ばれます）を手動で構成することもできます。^{[25] [26]}

受信トラフィック分散の純粋にソフトウェアベースの実装は、受信パケットステアリング(RPS) と呼ばれ、割り込みハンドラ機能の一部として、データパスの後半でコア間で受信トラフィックを分散します。RSS に対する RPS の利点には、特定のハードウェアが不要であること、より高度なトラフィック分散フィルタ、NIC によって生成される割り込みのレートが低減されることなどがあります。欠点としては、RPS によってプロセッサ間割り込み(IPI) のレートが増加することです。 受信フローステアリング(RFS) は、アプリケーションの局所性を考慮してソフトウェアベースのアプローチをさらに進めます。特定のネットワークパケットがターゲットアプリケーションによって消費される同じコアで割り込み要求を処理することで、パフォーマンスがさらに向上します。^{[25] [27] [28]}

割り込みは、ハードウェア タイマーの処理、ストレージ (ディスク I/O など) や通信インターフェイス ( UART、Ethernet など) との間のデータ転送、キーボードやマウスのイベントの処理、アプリケーション システムの必要に応じてその他の時間に敏感なイベントへの応答によく使用されます。マスク不可能割り込みは、通常、ウォッチドッグ タイマーのタイムアウト、電源切断信号、トラップなどの優先度の高い要求に応答するために使用されます。

ハードウェア タイマーは、周期的な割り込みを生成するためによく使用されます。一部のアプリケーションでは、このような割り込みは、割り込み ハンドラーによってカウントされて絶対時間または経過時間を追跡したり、OS タスクスケジューラによって実行中のプロセスの実行を管理したり、またはその両方に使用されます。周期的な割り込みは、アナログ - デジタル コンバーター、インクリメンタル エンコーダー インターフェイス、GPIO入力などの入力デバイスからのサンプリングを呼び出したり、デジタル - アナログ コンバーター、モーター コントローラー、GPIO 出力 などの出力デバイスをプログラムしたりするためにもよく使用されます。

ディスク割り込みは、ディスク周辺機器との間のデータ転送の完了を知らせます。これにより、読み取りまたは書き込みを待機しているプロセスが実行される場合があります。電源オフ割り込みは、差し迫った電源喪失を予測し、十分な電力が残っている間にコンピューターが正常なシャットダウンを実行できるようにします。キーボード割り込みは通常、先行入力を実装するためにキーストロークをバッファリングします。

割り込みは、製品ファミリ内の一部のコンピュータで実装されていない命令をエミュレートするために使用されることがあります。^{[29] [30]}たとえば、浮動小数点命令は、一部のシステムではハードウェアで実装され、低コストのシステムではエミュレートされる場合があります。後者の場合、実装されていない浮動小数点命令を実行すると、「不正な命令」例外割り込みが発生します。割り込みハンドラは、浮動小数点機能をソフトウェアで実装し、ハードウェアで実装された命令が実行されたかのように、割り込みを受けたプログラムに戻ります。^[31]これにより、ライン全体にわたってアプリケーションソフトウェアの移植性が実現されます。

割り込みはシグナルに似ていますが、シグナルはプロセス間通信(IPC)に使用され、カーネルによって (場合によってはシステム コールを介して) 仲介され、プロセスによって処理されるのに対し、割り込みはプロセッサによって仲介され、カーネルによって処理されるという違いがあります。カーネルは、割り込みを、それを引き起こしたプロセスにシグナルとして渡すことがあります (一般的な例としては、SIGSEGV、SIGBUS、SIGILL、SIGFPE などがあります)。

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• 割り込みを簡単に
• Microchip PIC マイクロコントローラの割り込み
• IBM PC 割り込みテーブル
• アルバータ大学 CMPUT 296 割り込みに関する具体的なコンピューティング ノート、2012 年 3 月 13 日のオリジナルからアーカイブ
• Arduino ピン変更割り込み - Adityapratap Singh による記事