割り込みハンドラ

コンピュータシステム プログラミングにおいて、割り込みハンドラ (割り込みサービス ルーチンまたはISRとも呼ばれる) は、特定の割り込み条件に関連付けられた特別なコード ブロックです。割り込みハンドラは、ハードウェア割り込み、ソフトウェア割り込み命令、またはソフトウェア例外によって開始され、デバイス ドライバを実装したり、システム コールなどの保護された動作モード間の遷移を行うために使用されます。

割り込みハンドラの従来の形式は、ハードウェア割り込みハンドラです。ハードウェア割り込みは、電気的条件またはデジタルロジックで実装された低レベルプロトコルから発生し、通常はハードコードされた割り込みベクターテーブルを介してディスパッチされ、通常の実行ストリームとは非同期に（割り込みマスクレベルが許す限り）、多くの場合は別のスタックを使用し、割り込みハンドラの実行中は自動的に別の実行コンテキスト（特権レベル）に入ります。一般に、ハードウェア割り込みとそのハンドラは、プロセッサが現在実行しているコードの割り込みを必要とする高優先度条件を処理するために使用されます。^{[1] [2]}

その後、ソフトウェア割り込み (同期割り込みの一種) によってソフトウェアが同じメカニズムをトリガーできると便利であることがわかりました。ハードウェア レベルでハードコードされた割り込みディスパッチ テーブルを使用するのではなく、ソフトウェア割り込みは、コールバック関数の形式としてオペレーティング システムレベルで実装されることがよくあります。

割り込みハンドラにはさまざまな機能があり、割り込みのトリガーとなったものや割り込みハンドラがタスクを完了する速度によって異なります。たとえば、コンピュータのキーボードのキーを押す、^[1]またはマウスを動かすと、割り込みがトリガーされ、割り込みハンドラが呼び出され、キーまたはマウスの位置が読み取られ、関連情報がコンピュータのメモリにコピーされます。^[2]

割り込みハンドラは、イベント ハンドラの低レベル版です。ただし、割り込みハンドラには特殊な実行コンテキストがあり、時間と空間に関する厳しい制約が多く、本質的に非同期であるため、標準的な方法でデバッグするのが非常に難しいことで有名です (再現可能なテスト ケースは通常存在しません)。そのため、ハードウェア割り込み層に従事するソフトウェア エンジニアには 、システム プログラミングの重要なサブセットである専門的なスキルセットが求められます。

他のイベント ハンドラとは異なり、割り込みハンドラは、コア機能の一部として割り込みフラグを適切な値に設定することが期待されます。

ネストされた割り込みをサポートする CPU でも、CPU ハードウェア操作によってすべての割り込みがグローバルにマスクされた状態でハンドラに到達することがよくあります。このアーキテクチャでは、割り込みハンドラは通常、必要な最小限のコンテキストを保存し、最初の機会にグローバル割り込み無効フラグをリセットして、優先度の高い割り込みが現在のハンドラに割り込むことができるようにします。また、割り込みハンドラが何らかの方法で現在の割り込みソースを抑制 (多くの場合、周辺レジスタの何らかのフラグ ビットを切り替える) して、ハンドラ終了時に現在の割り込みがすぐに繰り返されないようにし、無限ループが発生するのを防ぐことも重要です。

あらゆる状況下で割り込みシステムを正確な状態で割り込みハンドラから終了することは、時には困難で厳しい作業になる可能性があり、その誤った処理は、システムを完全に停止させるような多くの重大なバグの原因となります。これらのバグは断続的である場合があり、誤った処理のエッジ ケースは、連続操作の数週間または数か月間発生しません。割り込みハンドラの正式な検証は非常に困難ですが、テストでは通常、最も頻繁な障害モードのみが特定されるため、割り込みハンドラの微妙で断続的なバグがエンド カスタマーに出荷されることがよくあります。

最新のオペレーティング システムでは、エントリ時のハードウェア割り込みハンドラーの実行コンテキストは微妙です。

パフォーマンス上の理由から、ハンドラは通常、特別な接続を持たない実行中のプロセスのメモリおよび実行コンテキストで開始されます (割り込みは基本的に実行中のコンテキストを奪取します。プロセス時間の計算では、割り込みを受けたプロセスへの割り込みの処理に費やされた時間が加算されることがよくあります)。ただし、割り込みを受けたプロセスとは異なり、割り込みは通常、ハードコードされた CPU メカニズムによって、ハードウェア リソースに直接アクセスできるほど高い特権レベルに昇格されます。

低レベルのマイクロコントローラでは、チップに保護モードがなく、メモリ管理ユニット(MMU) がない場合があります。これらのチップでは、割り込みハンドラの実行コンテキストは、割り込みを受けたプログラムと基本的に同じになります。割り込みを受けたプログラムは通常、固定サイズの小さなスタック上で実行されます (メモリ リソースは、従来、低レベルのチップでは極めて不足しています)。ネストされた割り込みが提供されることが多く、スタックの使用量が増大します。このプログラミング作業における割り込みハンドラの主な制約は、最悪の状況でも使用可能なスタックを超えないことです。そのため、プログラマは、実装されたすべての割り込みハンドラとアプリケーション タスクのスタック スペース要件について、グローバルに判断する必要があります。

割り当てられたスタック領域を超えた場合 (スタック オーバーフローと呼ばれる状態)、このクラスのチップでは、通常、ハードウェアで検出されません。スタックが別の書き込み可能なメモリ領域を超えた場合、ハンドラーは通常、期待どおりに動作しますが、ハンドラーの副作用であるメモリ破損により、後で (場合によってはかなり後になって) アプリケーションが失敗します。スタックが書き込み不可能な (または保護された) メモリ領域を超えた場合、通常はハンドラー自体の内部で失敗します (一般的に、後でデバッグしやすいケースです)。

書き込み可能な場合は、センチネル スタック ガードを実装できます。センチネル スタック ガードとは、正当なスタックの終わりのすぐ後ろにある固定値で、その値は上書きできますが、システムが正常に動作している場合は上書きされることはありません。何らかのウォッチ ドッグ メカニズムを使用して、スタック ガードの破損を定期的に監視するのが一般的です。これにより、問題のある操作に近い時点で、スタック オーバーフロー状態の大部分を捕捉できます。

マルチタスク システムでは、通常、各実行スレッドに独自のスタックがあります。割り込み用に特別なシステム スタックが用意されていない場合、割り込みは、どの実行スレッドが割り込まれても、そのスタック領域を消費します。これらの設計には通常 MMU が含まれており、ユーザー スタックは、システム エラー (デバッグ用) として、またはメモリを再マップして使用可能な領域を拡張するために、スタック オーバーフローが MMU によってトラップされるように構成されます。このレベルのマイクロコントローラのメモリ リソースは通常、はるかに制約が少ないため、十分な安全マージンでスタックを割り当てることができます。

多数のスレッドをサポートするシステムでは、ハードウェア割り込みメカニズムがスタックを特別なシステム スタックに切り替えて、最悪のケースのネストされた割り込みの使用をスレッド スタックが考慮する必要がないようにする方が適切です。1978 年の 8 ビットMotorola 6809にまで遡る小型 CPU では、システム スタック ポインターとユーザー スタック ポインターが別々に提供されていました。

多くの理由から、割り込みハンドラはできる限り短時間で実行することが強く望まれ、ハードウェア割り込みによって潜在的にブロックするシステムコールが呼び出されることは強く推奨されません (または禁止されます)。複数の実行コアを持つシステムでは、再入可能性の考慮も非常に重要です。システムがハードウェアDMAを提供する場合、 CPU コアが 1 つしかない場合でも同時実行の問題が発生する可能性があります。(中間層のマイクロコントローラに保護レベルと MMU がなくても、多くのチャネルを持つ DMA エンジンを提供することは珍しくありません。このシナリオでは、多くの割り込みは通常DMA エンジン自体によってトリガーされ、関連する割り込みハンドラは慎重に処理することが求められます。)

最近の慣習では、ハードウェア割り込みハンドラーをフロントハーフとバックハーフの要素に分割するようになりました。フロントハーフ (または第 1 レベル) は、実行中のプロセスのコンテキストで最初の割り込みを受け取り、ハードウェアを緊急性の低い状態に戻すための最小限の作業 (フル受信バッファーを空にするなど) を行い、適切なスケジュール優先度で近い将来に実行するためにバックハーフ (または第 2 レベル) をマークします。呼び出されると、バックハーフはより制限の少ない独自のプロセス コンテキストで動作し、ハンドラーの論理操作 (新しく受信したデータをオペレーティング システムのデータ キューに渡すなど) を完了します。

Linux、Unix、^[要出典] macOS、Microsoft Windows、z/OS、DESQview 、および過去に使用されていたその他のオペレーティング システムなど、いくつかのオペレーティング システムでは、割り込みハンドラーは、第 1 レベル割り込みハンドラー( FLIH ) と第 2 レベル割り込みハンドラー( SLIH ) の 2 つの部分に分かれています。FLIH は、ハード割り込みハンドラーまたは高速割り込みハンドラーとも呼ばれ、SLIH は、低速/ソフト割り込みハンドラー、またはWindows では遅延プロシージャ呼び出しとも呼ばれます。

FLIHは、少なくとも割り込みルーチンに似たプラットフォーム固有の割り込み処理を実装します。割り込みに応答してコンテキストスイッチが行われ、割り込みのコードがロードされて実行されます。FLIHの役割は、割り込みを迅速に処理するか、割り込み時にのみ利用可能なプラットフォーム固有の重要な情報を記録し、さらに長時間の割り込み処理のためにSLIHの実行をスケジュールすることです。 ^[2]

FLIH はプロセス実行時にジッターを引き起こします。また、FLIH は割り込みをマスクします。リアルタイム オペレーティング システムでは、特定のコードの実行が合意された時間内に完了するという保証を維持する必要があるため、ジッターの削減が最も重要です。ジッターを削減し、マスクされた割り込みによるデータ損失の可能性を減らすために、プログラマーは FLIH の実行時間を最小限に抑え、可能な限り SLIH に移行しようとします。最新のコンピューターの速度では、FLIH はデバイスとプラットフォームに依存するすべての処理を実装し、プラットフォームに依存しない長時間の処理には SLIH を使用できます。

ハードウェアにサービスを提供する FLIH は、通常、実行が完了するまで、関連する割り込みをマスクします (または、場合によってはマスクされたままにします)。完了前に関連する割り込みのマスクを解除する (珍しい) FLIH は、再入可能割り込みハンドラと呼ばれます。再入可能割り込みハンドラは、同じ割り込みベクターによる複数のプリエンプションによってスタック オーバーフローを引き起こす可能性があるため、通常は回避されます。優先割り込みシステムでは、FLIH は、同等またはより低い優先度の他の割り込みも (一時的に) マスクします。

SLIH は、プロセスと同様に、長時間の割り込み処理タスクを完了します。SLIH は、各ハンドラー専用のカーネルスレッドを持つか、カーネル ワーカー スレッドのプールによって実行されます。これらのスレッドは、割り込みの処理を実行するためのプロセッサ時間が利用可能になるまで、オペレーティング システムの実行キューに待機します。SLIH は実行時間が長い場合があり、通常はスレッドやプロセスと同様にスケジュールされます。

Linuxでは、FLIHは上部半分と呼ばれ、SLIHは下部半分または下部半分と呼ばれます。^{[1] [2]これは、両方とも}下部半分 の一部である他のUnix系システムで使用される命名とは異なります。^{[説明が必要]}