割り込み制御（IRQ

2025年10月14日

割り込み制御（IRQ

英語表記: Interrupt Control (IRQ)

概要

割り込み制御（IRQ: Interrupt Request）は、コンピュータの制御装置が、現在実行中の処理を一時的に中断し、外部デバイスや内部イベントからの緊急性の高い要求に即座に対応するための、非常に重要な仕組みです。これは、コンピュータの処理効率を飛躍的に向上させる「制御フロー管理」の中核をなす機能であり、CPUが入力待ちなどで無駄な時間を過ごすことを防ぎます。具体的には、キーボード入力やディスクアクセス完了など、非同期に発生するイベントを検知し、適切な処理へと迅速に制御の流れを切り替える役割を担っています。

詳細解説

割り込み制御は、私たちが普段利用しているマルチタスク環境を実現するために、コンピュータの構成要素の中でも特に制御装置の機能として欠かせません。この仕組みがなければ、CPUは常にすべてのデバイスの状態を順番に確認し続ける（ポーリング）必要があり、非常に非効率になってしまいます。

制御フロー管理における役割

割り込み制御の最大の目的は、CPUの時間を有効活用し、システムの応答性を高めることです。

メインプログラムが実行されている最中に、例えばネットワークカードがデータを受信したとします。このとき、ネットワークカードはCPUに対して「割り込み要求（IRQ信号）」を発行します。制御装置は、このIRQ信号を受け取ると、直ちに現在の命令の解釈と制御信号の発行を一時停止します。これが「制御フロー管理」の切り替えの瞬間です。

状態の保存（コンテキストスイッチの一部）: CPUは、中断した時点のプログラムカウンタやレジスタの内容など、現在の処理状態（コンテキスト）をメモリ（スタックなど）に退避させます。これにより、割り込み処理が終了した後、何事もなかったかのように元の処理を正確に再開できます。
割り込みの特定とルーチンの実行: 次に、CPUはどのデバイスが割り込みを要求したのかを特定します。この特定には「割り込みベクタ」と呼ばれる情報が使われます。割り込みベクタは、割り込みの種類ごとに対応する処理プログラム（ISR: Interrupt Service Routine、割り込みサービスルーチン）が格納されているメモリ上のアドレスを指しています。
制御フローの移動: CPUは、割り込みベクタが示すISRのアドレスへ制御を移し、ISRを実行します。例えば、キーボードの割り込みであれば、押されたキーのデータを読み取る処理が行われます。
状態の復元と制御フローの復帰: ISRが終了すると、CPUは退避させておいた元の処理状態を復元し、中断された命令の次の命令から処理を再開します。

このように、割り込み制御は、メインの処理の流れ（制御フロー）を一時的に安全な方法で横取りし、緊急度の高い処理を済ませた後、元の流れに正確に戻すという、非常に緻密な制御フロー管理を実現しているのです。

主要な構成要素

割り込み制御を支える主要な要素には、以下のものがあります。

IRQ信号 (Interrupt Request): デバイスがCPUに対して処理を要求するために送る物理的な信号線、またはソフトウェア的な通知です。
割り込みコントローラ (Interrupt Controller): 複数のデバイスからのIRQ信号を受け取り、それらに優先順位をつけ、CPUに最も重要な割り込み要求だけを伝達する役割を担います。特に多数の周辺機器を持つシステムにおいて、この優先度管理は非常に重要です。
割り込みベクタ (Interrupt Vector): 割り込みの種類と、それに対応するISRの開始アドレスを対応付けた表です。CPUが迅速に適切なサービスルーチンを見つけるための「索引」のようなものです。
割り込みサービスルーチン (ISR): 実際に割り込みに対応するために実行される専用のプログラムです。極力短時間で終了し、元の処理に制御を戻すことが求められます。

これらの要素はすべて、制御装置が効率的かつ正確にシステムの動作を制御するために協調して動作しています。

割り込みの種類

割り込みは発生源によっていくつかの種類に分類されますが、制御フロー管理の観点から特に重要です。

外部割り込み: ハードウェア（I/Oデバイス、タイマー、電源異常など）からの要求。最も一般的なIRQはこちらです。
内部割り込み（例外）: CPU内部の処理で発生する異常事態（ゼロ除算、不正な命令コード、ページフォルトなど）。
ソフトウェア割り込み: 実行中のプログラムが意図的にOSのサービスを呼び出すために発生させる割り込み（システムコールなど）。これは、ユーザープログラムから制御装置に「特殊な処理をしてほしい」と依頼する手段であり、制御の流れをOSカーネルへと移すために使われます。

具体例・活用シーン

割り込み制御は、コンピュータがスムーズに動作するために一秒間に何千回、何万回と発生している、非常に身近な仕組みです。

キーボード入力: キーを打鍵した瞬間、キーボードコントローラからCPUにIRQが飛びます。CPUは直ちにISRを実行し、どのキーが押されたかを読み取り、画面に表示する処理に制御を移します。もし割り込み制御がなければ、CPUはキーが押されるまで待ち続けるか、キーボードの状態を延々と確認し続けることになり、他の処理が停止してしまいます。
ディスクアクセス完了: 大量のデータをハードディスクに読み書きする際、CPUは「読み込み開始」の命令を出した後、その完了を待つ必要はありません。CPUは別の処理に移り、ディスクが完了したときにIRQを発行することで、初めてCPUが次の処理に移ります。これにより、ディスクアクセスという遅い処理を待つ間に、CPUが他の有用な計算を実行できるのです。

アナロジー：集中するシェフと電話

割り込み制御の動作を理解するために、レストランのシェフ（CPU）を例に考えてみましょう。

シェフは、現在、最も重要なメインディッシュ（メインプログラム）の調理に集中しています。しかし、調理中であっても、外部から様々な緊急性の高い要求が来ることがあります。これが割り込みです。

メインディッシュの調理（メイン処理の実行）: シェフは集中して料理をしています。
電話が鳴る（IRQの発生）: 受付から「緊急の予約変更の電話が入った」と通知されます。
作業の中断と記録（状態の保存）: シェフは、今まさにソースを混ぜる直前だったとします。シェフはソースの状態と、次に加えるはずだった材料（現在の状態）をメモに書き留め（スタックへの退避）、調理台の隅に置きます。
電話対応（ISRの実行）: シェフは電話を取り、予約変更という緊急のタスク（割り込みサービスルーチン）を迅速に処理します。
作業の再開（状態の復元と制御フローの復帰）: 電話対応が終わり次第、シェフはメモを読み返し、ソースを混ぜる直前の状態から正確に調理を再開します。

このシェフのアナロジーが示すように、割り込み制御は、重要な作業を中断しても、その中断ポイントを正確に記憶し、緊急タスクを処理した後に、効率的かつシームレスに元の制御フローに戻るための、非常に洗練された仕組みなのです。

資格試験向けチェックポイント

IT資格試験において、割り込み制御はコンピュータの構成要素の中の制御装置の機能として、必ず出題される重要テーマです。特に、CPUの効率化やマルチタスクの実現手段として問われます。

試験対策のヒント:

割り込み制御は、CPUが自発的に行う処理ではなく、外部からの非同期な要求によって引き起こされるという点がポイントです。制御装置がこの非同期な要求に迅速に対応できるからこそ、コンピュータは複数の処理を同時に実行しているかのように見せることができるのです。これが、現代のOSにおける「制御フロー管理」の基礎中の基礎である、と認識しておいてください。