「マイコン用ソフトウェアの割り込み処理」

割り込み処理の流れ

1. プログラムを実行している位置（プログラムカウンタ）や、レジスタの状態を保存
   ↓
2. プログラムカウンタに、割り込み処理の開始位置を設定
   ↓
3. 割り込み処理を実行
   ↓
4. 保存していた状態を復元
   ↓
5. 通常の処理に戻る

図1. 割り込み処理イメージ

多重割り込み

マイコン用ソフトウェアでは多くの場合、複数の割り込みを使いながら動作します。

複数の割り込みを使用する場合、割り込み処理中に別の割り込み要因が発生した場合や、同時に複数の割り込み要因が発生した場合のリアルタイム性などを考慮する必要があります。特に時間の制約が厳しく、他の割り込み処理と重なっても待てない場合には、多重割り込みを使用します。

多重割り込みを使用することで、既に別の割り込み処理を実行している時でも、それを中断して割り込むことが可能となります。多重割り込みは、各割り込みに設定されている優先度によって制御されますので、時間の制約が厳しいものは優先度を上げておき、多重割り込みを許可しておくことで、リアルタイム性を保障することができます。

図2. 多重割り込み処理イメージ

割り込み処理を行う時には、その準備処理や割り込み終了後の処理でも多少の時間が必要です。また、状態を保存するための領域も必要となるため、その分を考慮しておく必要があります。
考慮せずに作ってしまうと、「準備処理の時間が長すぎて、処理が間に合わない」や、「容量オーバーになってしまった」などの問題が発生する場合があります。
実際私も、割り込みの準備処理に時間がかかりすぎて処理が間に合わないという問題に直面したことがありました。その時は準備処理を必要最低限に抑えることで対策できましたが、原因がわかるまで非常に苦労した記憶があります。

問題が発生しやすいところですが、通常の処理と割り込み処理とで共通のリソース※を使用する場合、注意が必要です。
※ここでのリソースとは、変数やレジスタ、CPUの出力ポート、さらにICなどを指します。

よくある間違いに、1つの変数を、通常の処理と割り込み処理の両方で操作する場合、意図しない結果になることがあります。

簡単なプログラムで紹介します。

図3. 割り込み処理の注意点（共通リソース操作）

この例では、func関数とinterrupt_func関数ではどちらも同じ変数を操作しています。操作するビットが異なるため一見問題無いように見えますが、このプログラムには問題があります。

func関数実行中にinterrupt_func関数が割り込むと、g_uchValの値が0x03ではなく0x01となってしまう時があります。これは、C言語では1行のプログラムでも、CPUが実行する命令では数ステップに分かれているために起こる問題です。
このような問題は、たまにおかしな動作をする、という非常に厄介な問題となって表面化します。

そのため、通常の処理と割り込み処理とで操作するリソースは分けることが理想です。
ただし、ハードウェアの制限により、共通のリソースを操作しなければならない場合もあります。そのような時には、排他制御や一時的な割り込み禁止とする対策が必要です。

「2.割り込みの動作」で多重割り込みをご紹介しましたが、多重割り込みを使用する場合には、各割り込みの優先度に注意する必要があります。
多重割り込みを使用すると、優先度の高い割り込み要因が発生した時に、優先度が低いものは中断されてしまいます。そのため、優先度の低い割り込みは他の割り込み処理時間も一緒に考慮しないと、リアルタイム性を損なう場合があります。

割り込みを使用すると必要な時だけ処理をすることが可能ですが、何でもかんでも割り込み処理で行うのは良くありません。
割り込み処理で多くのことをしようとすると、他の割り込みのリアルタイム性に影響を及ぼしてしまう場合があります。
多重割り込みを使うことで対応できる場合もありますが、優先度が同レベルの割り込みなどがある場合には、やはりリアルタイム性を損ねてしまいます。

図4. 割り込み処理の注意点（リアルタイム性の問題）

また、割り込みを多用しすぎると、通常の処理に戻ることができず、常時行いたい処理ができなくなってしまう場合もあります。

図5. 割り込み処理の注意点（通常の処理が実行できない問題）

ソフトウェアを安定した動作にするためには、時間の余裕のあるところはポーリングとし、すぐに処理をしたいところのみ割り込みにするなど、割り込み処理を必要最低限に抑えることが望まれます。また設計の時点で、割り込み時間のワーストケースを見積もり、問題無い設計をする必要があります。