優先度制御

2025年10月29日

優先度制御

英語表記: Priority Control

概要

優先度制御とは、リアルタイムOS（RTOS）が搭載された組み込み機器において、同時に実行を待っている複数のタスクの中から、最も重要度の高いタスクをCPUに割り当てて実行させるための仕組みです。これは、限られたマイコンの処理能力を最大限に活用し、システムが要求される応答時間（リアルタイム性）を保証するために不可欠な機能と言えます。特に、組み込み機器（IoTデバイス, マイコン）のRTOSにおけるスケジューリング機能の根幹を成す要素であり、システムの安定性と応答性能を決定づける鍵となります。

詳細解説

組み込み機器（IoTデバイス, マイコン）の分野では、センサーからのデータ取得、ネットワーク通信、モーター制御など、多種多様な処理が同時に発生します。これらのタスクには、「10ミリ秒以内に応答しなければならない」といった厳しい時間的制約が課せられていることが多く、すべてのタスクを平等に扱うわけにはいきません。

目的と背景

優先度制御の最大の目的は、システムのリアルタイム性を確保することです。例えば、自動車のブレーキ制御や医療機器の監視システムなど、応答が遅れることが許されないクリティカルなタスクは、それほど緊急性の高くないタスク（ログ記録やユーザーインターフェースの更新など）よりも優先して処理されなければなりません。組み込み機器ではCPUやメモリといった資源が限られているため、この優先順位付けが非常に重要になるのです。

仕組み（タスクとスケジューラ）

優先度制御は、主に以下の要素によって成り立っています。

タスク（Task）: システム内で実行される個々の処理単位です。RTOSでは、すべての処理がタスクとして管理されます。
優先度レベル（Priority Level）: 各タスクに割り当てられる重要度を示す数値です。一般的に、数値が小さいほど（または大きいほど）優先度が高く設定されます。この設定は開発者がシステムの要件に基づいて静的に（固定優先度）または実行中に動的に行われます。
スケジューラ（Scheduler）: RTOSの中核を担うソフトウェアモジュールで、実行可能な状態にあるタスク群の中から、現在最も優先度の高いタスクを選び出し、CPUに割り当てます。この処理を「ディスパッチ（Dispatch）」と呼びます。

スケジューリングの動作

組み込みRTOSにおけるスケジューリングは、「プリエンプティブ（Preemptive）」であることが一般的です。プリエンプティブとは、「横取り可能」という意味です。

現在実行中のタスクよりも高い優先度を持つタスクが実行可能になった場合（例えば、センサー割り込みが発生した場合）、スケジューラは即座に動作中のタスクの実行を中断させ（コンテキストスイッチ）、より優先度の高いタスクにCPUを明け渡します。これにより、緊急性の高い処理が滞りなく実行されることが保証されます。

この優先度に基づくスケジューリング（組み込み機器 → RTOS とソフトウェア基盤 → スケジューリングの文脈）こそが、単なるマルチタスクOSではなく、リアルタイムOSと呼ばれる所以なのですね。もし優先度制御がなければ、重要なタスクがいつまでも待たされ、IoTデバイスの応答遅延や機能不全を引き起こしてしまうでしょう。

具体例・活用シーン

優先度制御の概念は、日常生活における交通整理や緊急対応の仕組みに非常によく似ています。この比喩を通じて、組み込み機器におけるその重要性を理解していただけると思います。

比喩：交差点の交通整理

組み込み機器のCPUを大きな交差点だと想像してください。この交差点（CPU）を通過しようとする様々なタスク（車）が存在します。

通常、交差点では信号機（スケジューラ）が順番に青信号を与え、車を流します。これが標準的なマルチタスク処理です。しかし、もしそこに「救急車」や「消防車」といった高優先度の車両（緊急タスク：例、異常検知アラーム、即時応答が必要な制御）が近づいてきたらどうでしょうか。

信号機はすぐに赤信号に変えて、他の一般車両（低優先度タスク：例、データロギング、定期的な自己診断）の通行を中断させ、救急車を最優先で通過させます。

優先度制御の仕組みは、まさにこの「救急車を最優先で通す」交通整理のルールそのものです。

IoTデバイスにおける優先度設定の例

具体的なIoTデバイス（例えば、スマートホームの環境センサー）では、以下のようにタスクの優先度が設定されます。

最高優先度:
- タスク: 危険な状態を検知した際の即時アラーム発報処理、緊急通信。
- 理由: 人命や財産に関わるため、一刻の遅延も許されません。
高優先度:
- タスク: センサーデータの定周期的な読み取りと一次処理、無線通信スタックの管理。
- 理由: リアルタイムな状況把握に直結するため、信頼性が求められます。
中優先度:
- タスク: ユーザーインターフェース（LED点灯、液晶表示）の更新、ボタン入力の監視。
- 理由: ユーザー体験に関わるが、システムの安全機能よりは優先度が低い。
低優先度:
- タスク: 大容量データのフラッシュメモリへの書き込み（ロギング）、省電力モードへの移行計算。
- 理由: バックグラウンドでゆっくり実行されても、システムの主要機能に影響が少ない。

このように、組み込みシステムでは、タスクの「デッドライン（締め切り時間）」に基づいて優先度を設計することが極めて重要であり、その設計の良し悪しが製品の品質に直結するのです。開発者は、どのタスクが最も時間的制約が厳しいかを慎重に見極める必要がありますね。

資格試験向けチェックポイント

組み込み機器（RTOS）のスケジューリングに関する優先度制御は、情報処理技術者試験（ITパスポート、基本情報、応用情報）において、OSの基本機能やリアルタイム処理の文脈で頻出するテーマです。

必須知識としてのポイント

プリエンプション: 高い優先度のタスクが、実行中の低い優先度のタスクを中断させてCPUを奪う仕組み。RTOSの応答性を支える根幹です。
コンテキストスイッチ: タスクが切り替わる際に、現在実行中のタスクの状態（レジスタの値など）を保存し、次に実行するタスクの状態を読み出す処理。オーバーヘッド（処理の負荷）として認識しておく必要があります。
優先度逆転: 低優先度タスクが共有資源を占有しているために、それを待つ高優先度タスクがブロックされてしまう現象。これは組み込みRTOS設計における最大の注意点であり、応用情報レベルでは必ず問われます。

試験対策としては、「優先度制御は、単に速く処理するためではなく、定められた時間内に応答するための仕組みである」というリアルタイムOSの核心を理解しておくことが重要です。