割り込み要求

コンピュータにおいて、割り込み要求( IRQ ) はプロセッサに送信されるハードウェア信号であり、実行中のプログラムを一時的に停止し、代わりに特別なプログラム (割り込みハンドラ) を実行できるようにします。ハードウェア割り込みは、モデムやネットワーク カードからのデータの受信、キーの押下、マウスの動きなどのイベントを処理するために使用されます。

割り込みラインは、多くの場合、 IRQの後に番号が続く形式のインデックスによって識別されます。たとえば、Intel 8259ファミリのプログラマブル割り込みコントローラ(PIC) には、一般にIRQ0からIRQ7と呼ばれる 8 つの割り込み入力があります。これらのPIC を2 つ使用するx86ベースのコンピュータ システムでは、結合されたラインのセットはIRQ0からIRQ15と呼ばれます。技術的には、これらのラインはIR0からIR7と命名され、歴史的にこれらのラインが接続されていたISAバス上のラインはIRQ0からIRQ15と命名されます(ただし歴史的には、ハードウェア デバイスの数が増えるにつれて、1 つの IRQ 番号を 1 つ以上の後続コントローラによって処理される別の 1 つまたは複数の番号付き IRQ セットにカスケードすることによって、要求をカスケードすることで、可能な割り込みの総数が増加しました)。

新しいx86システムには、 Intel APICアーキテクチャに準拠したAdvanced Programmable Interrupt Controller (APIC)が統合されています。各ローカルAPICは通常最大255のIRQラインをサポートし、各I/O APICは通常最大24のIRQラインをサポートします。^[1]

パーソナルコンピューティングの初期の頃は、IRQ管理はユーザーの懸念事項でした。プラグアンドプレイデバイスの導入により、自動構成によってこの問題は軽減されました。^[2]

パーソナル コンピュータのハードウェアを操作し、デバイスをインストールしたり削除したりする場合、システムは割り込み要求に依存します。システムBIOSで構成され、オペレーティング システムによって認識されるデフォルト設定があります。これらのデフォルト設定は、上級ユーザーによって変更できます。最新のプラグ アンド プレイテクノロジにより、これらの設定を気にする必要が減っただけでなく、手動による構成も事実上なくなりました。

Intel 8086/8088 プロセッサを使用した初期の PC には PIC が 1 つしかなかったため、割り込みは 8 つに制限されていました。286 ベースの PC の導入により、PIC は 2 つに拡張されました。

通常、Intel 8259 PIC を使用するシステムでは、16 個の IRQ が使用されます。IRQ 0 から 7 は 1 個の Intel 8259 PIC によって管理され、IRQ 8 から 15 は 2 個目の Intel 8259 PIC によって管理されます。最初の PIC (マスター) は、CPU に直接信号を送る唯一の PIC です。2 個目の PIC (スレーブ) は、代わりに IRQ 2 ラインでマスターに信号を送り、マスターはその信号を CPU に渡します。したがって、ハードウェアに使用できる割り込み要求ラインは 15 個だけです。

IOAPIC搭載の APICシステムでは、通常 24 個の IRQ が使用可能で、追加の 8 個の IRQ は PCI 割り込みのルーティングに使用され、動的に構成された PCI 割り込みと静的に構成された ISA 割り込みの競合を回避します。16 個の IRQ のみ、または Intel 8259 割り込みコントローラのみを搭載した初期の APIC システムでは、BIOS に統合された PIR (PCI 割り込みルーティング) テーブルを使用して、PCI 割り込みラインが 16 個の IRQ にルーティングされていました。Windows 95 OSR2などのオペレーティングシステムでは、PCI IRQ ステアリングを処理するために PIR テーブルが使用される場合があります。^{[3] [4]その後、PIR テーブルは}ACPI _PRT (PCI ルーティングテーブル) プロトコルに置き換えられました。MSI 搭載のAPICシステムでは、通常 224 個の割り込みが使用可能です。^[5]

Windowsでこの情報を表示する最も簡単な方法は、デバイス マネージャーまたはシステム情報(msinfo32.exe)を使用することです。Linuxcat /proc/interruptsでは、ユーティリティを実行するか使用することで IRQ マッピングを表示できますprocinfo。

• IRQ 0 – システムタイマー（変更不可）
• IRQ 1 – PS/2 ポートのキーボード(変更不可)
• IRQ 2 – IRQ 8～15 からのカスケード信号 (IRQ 2 を使用するように構成されたデバイスは、実際には IRQ 9 を使用します)
• IRQ 3 – シリアルポート2のシリアルポート コントローラ(存在する場合はシリアルポート 4 と共有)
• IRQ 4 – シリアルポート 1 のシリアルポート コントローラ (存在する場合はシリアルポート 3 と共有)
• IRQ 5 – パラレルポート3 またはサウンドカード
• IRQ 6 – フロッピーディスクコントローラ
• IRQ 7 – パラレル ポート 1 (存在する場合はパラレル ポート 2 と共有)。プリンター用、またはプリンターが存在しない場合は任意のパラレル ポート用に使用されます。また、ポートを慎重に管理することで、セカンダリ サウンド カードと共有することもできます。

• IRQ 8 – リアルタイムクロック(RTC)
• IRQ 9 – IntelチップセットのACPI（ Advanced Configuration and Power Interface）システム制御割り込み。^[6]他のチップセットメーカーは、この目的で別の割り込みを使用するか、周辺機器で使用できるようにしている可能性があります（IRQ 2を使用するように構成されたデバイスは、実際にはIRQ 9を使用します）
• IRQ 10 – 周辺機器の使用のために割り込みが開かれたままになります (オープン割り込み/使用可能、SCSI またはNIC )
• IRQ 11 – 周辺機器の使用のために割り込みが開かれたままになります (オープン割り込み/使用可能、SCSI または NIC)
• IRQ 12 – PS/2 ポート上のマウス
• IRQ 13 – CPUコプロセッサまたは統合浮動小数点ユニットまたはプロセッサ間割り込み(使用は OS によって異なります)
• IRQ 14 – プライマリATAチャネル (ATA インターフェイスは通常、ハード ディスク ドライブとCD ドライブに使用されます)
• IRQ 15 – セカンダリ ATA チャネル

初期の IBM 互換パーソナル コンピュータでは、IRQ 競合はかつては一般的なハードウェア エラーでした。これは、2 つのデバイスが同じ割り込み要求 (IRQ) を使用してプログラマブル割り込みコントローラ(PIC) に割り込みを通知しようとしたときに発生しました。PIC は、1 つのラインにつき 1 つのデバイスからの割り込み要求のみを期待するため、複数のデバイスが同じラインで IRQ 信号を送信すると、通常、IRQ 競合が発生し、コンピュータがフリーズする可能性があります。

たとえば、モデム 拡張カードがシステムに追加され、従来はシリアルポート1 に割り当てられている IRQ4 に割り当てられた場合、IRQ の競合が発生する可能性があります。当初、サウンドカード の使用には IRQ 7 が一般的に選択されていましたが、後に IRQ 7 がプリンターポート( LPT1 ) に干渉することが判明したため、IRQ 5 が使用されるようになりました。シリアルポートは、 IRQ ラインを別のデバイスに解放するために頻繁に無効にされます。IRQ 2/9 は MPU-401 MIDI ポートの従来の割り込みラインですが、これはACPIシステム制御割り込みと競合します (Intel チップセットでは SCI が IRQ9 にハードワイヤードされています)。^[6]つまり、ハードワイヤード IRQ 2/9 を備えた ISA MPU-401カード、およびハードコードされた IRQ 2/9 を備えた MPU-401 デバイスドライバーは、ACPI が有効になっているシステムでは割り込み駆動モードで使用できません。

状況によっては、2 つのISAデバイスが同時に使用されない限り、同じ IRQ を共有できます。この問題を解決するために、最近のPCI バスではIRQ の共有が可能になっています。PCI Express には物理的な割り込みラインがなく、使用可能な場合はオペレーティング システムへのメッセージ シグナル割り込み(MSI)を使用します。

• ギルウェ、フランク・ヴァン。The Undocumented PC、第 2 版、Addison-Wesley Developers Press、1997 年。ISBN 0-201-47950-8 
• Shanley, Tom; Anderson, Don (1995). Swindle, John (編). ISA システムアーキテクチャ (第 3 版). Mindshare, Inc. / Addison-Wesley Publishing Company . ISBN 0-201-40996-8. ISBN 978-0-201-40996-3 . [1]
• ソラリ、エドワード。PCIおよび PCI-X ハードウェアおよびソフトウェア アーキテクチャと設計、第 6 版、Research Tech Inc.、2004 年。ISBN 0-9760865-0-6 

• Intel 64 および IA-32 アーキテクチャ ソフトウェア開発者マニュアル、第 3A 巻: システム プログラミング ガイド、パート 1、第 6 章 – Intel 64 および IA-32 の割り込み処理に関する詳細情報
• ラルフ・ブラウンの割り込みリスト