ソフトウェア割り込み (ソフトウェアワリコミ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

ソフトウェア割り込み (ソフトウェアワリコミ) の読み方

日本語表記

ソフトウェア割り込み (ソフトウェアワリコミ)

英語表記

software interrupt (ソフトウェアインターラプト)

ソフトウェア割り込み (ソフトウェアワリコミ) の意味や用語解説

「ソフトウェア割り込み」は、コンピュータシステムにおいてプログラムがオペレーティングシステム（OS）の機能を利用したり、特定の処理を実行したりするために意図的に発生させる特別なイベントである。コンピュータの心臓部であるCPUは、常に命令を順序立てて実行しているが、割り込みとはその実行フローを一時的に中断し、別の緊急性の高い、あるいは重要な処理に切り替えるメカウズムを指す。この「割り込み」には、外部のハードウェアデバイスからの信号によって発生する「ハードウェア割り込み」と、プログラムの命令によって意図的に発生させる「ソフトウェア割り込み」の二種類が存在する。 ソフトウェア割り込みの最も一般的な目的は、アプリケーションプログラムがOSの提供するサービス、すなわち「システムコール」を利用することにある。例えば、ファイルを開く、データを読み書きする、メモリを確保する、新たなプロセスを開始するといった操作は、アプリケーションが直接ハードウェアを操作するのではなく、OSにその処理を依頼することで実現される。OSは、システムの資源を効率的かつ安全に管理する役割を担っており、アプリケーションが勝手にシステムの根幹に関わる操作を行うことを制限している。この制限は、特権レベルと呼ばれる概念によって実現されており、通常のアプリケーションは「ユーザーモード」という低い特権レベルで動作する。一方、OSのカーネル（OSの中核部分）は「カーネルモード」という高い特権レベルで動作し、ハードウェアへの直接アクセスやシステムリソースの管理を行うことができる。 アプリケーションがOSのサービスを利用したい場合、ソフトウェア割り込み命令を実行する。この命令は、CPUに対して現在の処理を中断し、特定の割り込み処理ルーチン、通称「割り込みハンドラ」へ制御を移すように指示する。具体的には、多くのCPUアーキテクチャでは、`INT`（Interrupt）命令のような専用の機械語命令が用意されている。この命令には、どのOSサービスを要求するのかを示す番号（割り込みベクタ番号）が引数として指定される。CPUは、この割り込みベクタ番号を基に、メモリ上の「割り込みベクタテーブル」を参照する。割り込みベクタテーブルは、各割り込み番号に対応する割り込みハンドラの開始アドレスを格納している特別なテーブルである。CPUはテーブルから該当する割り込みハンドラのアドレスを取得し、現在のプログラムの実行コンテキスト（レジスタの値や次に実行すべき命令のアドレスなど）を保存した上で、割り込みハンドラへジャンプしてその処理を開始する。 システムコールとしてソフトウェア割り込みが利用される際には、この処理の中でCPUの特権レベルがユーザーモードからカーネルモードへ切り替わる。これにより、OSは安全にハードウェアやシステムリソースにアクセスし、要求されたサービスを実行できる。サービスが完了すると、OSはCPUの特権レベルを再びユーザーモードに戻し、保存しておいたアプリケーションの実行コンテキストを復元して、ソフトウェア割り込み命令の次の命令から処理を再開させる。この一連の流れにより、アプリケーションはOSの強力な機能を利用しながらも、システム全体の安定性が保たれる。 ソフトウェア割り込みはシステムコールの他にも、プログラム実行中に発生する「例外処理」のメカニズムとしても広く利用されている。例外とは、プログラムの論理的な誤りや予期せぬ状況によって引き起こされる異常な事態を指す。例えば、ゼロによる除算、不正なメモリアドレスへのアクセス、保護されたメモリ領域への書き込みなどがこれに該当する。これらの例外が発生すると、CPUは自動的に対応するソフトウェア割り込みを発生させる。OSはこれらの割り込みを捕捉し、適切な例外ハンドラを実行することで、問題の原因を特定したり、アプリケーションを強制終了させたり、あるいは回復処理を試みたりする。これにより、一つのアプリケーションの誤りがシステム全体をクラッシュさせることを防ぎ、安定した動作を維持する。デバッグ作業においても、デバッガがプログラムの特定の場所に「ブレークポイント」を設定する際にソフトウェア割り込みを利用することがある。ブレークポイントに到達すると、プログラムはソフトウェア割り込みを発生させ、デバッガに制御を渡すことで、プログラマはプログラムの内部状態を詳細に調べることが可能となる。 ハードウェア割り込みとソフトウェア割り込みの決定的な違いは、その発生源にある。ハードウェア割り込みは、キーボードからの入力、マウスの動き、ディスクドライブからのデータ読み込み完了、ネットワークアダプタからのデータ受信など、コンピュータ外部のデバイスからの非同期的な信号によって発生する。これに対し、ソフトウェア割り込みは、プログラム自身が意図的に実行する命令によって、同期的に発生させるものである。しかし、どちらの割り込みも、CPUの実行フローを中断させ、特定の割り込みハンドラへ制御を移し、多くの場合、特権レベルを上昇させてOSの処理を実行させるという共通の目的を持つ。ソフトウェア割り込みは、ユーザーアプリケーションとOSカーネル間の安全で効率的な橋渡し役として、現代の多重タスクOSにおいて不可欠な役割を担っている。システムエンジニアを目指す上で、このメカニズムを理解することは、OSがどのようにアプリケーションを管理し、ハードウェアと協調して動作しているかを深く理解するための第一歩となるだろう。