タイマ割り込み (タイマワリコミ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

タイマ割り込み (タイマワリコミ) の読み方

日本語表記

タイマー割り込み (タイマーワリコミ)

英語表記

Timer Interrupt (タイマーインタラプト)

タイマ割り込み (タイマワリコミ) の意味や用語解説

タイマ割り込みとは、コンピュータの心臓部であるCPUが、あらかじめ設定された時間間隔で特定の処理を自動的に実行するための重要な仕組みである。コンピュータシステムに内蔵されたハードウェアタイマが、設定された時間が経過するたびにCPUに対して「割り込み」と呼ばれる信号を送ることで実現される。CPUはこの割り込み信号を受け取ると、現在行っている処理を一時的に中断し、タイマ割り込みのために準備された特別なプログラム、すなわち「割り込みハンドラ（割り込み処理ルーチン）」を実行する。割り込みハンドラの処理が完了すると、CPUは中断していた元の処理へと戻る。この一連の動作により、OSは複数のプログラムを同時に実行しているかのように見せかけたり、システム時刻の更新やデバイスの監視など、定期的に実行する必要がある処理を確実に行ったりすることが可能となる。タイマ割り込みは、現代のオペレーティングシステム（OS）がマルチタスクを実現し、円滑に動作するための基盤となる技術の一つである。 コンピュータシステムにおいて「割り込み」とは、CPUが現在実行中の処理を一時的に停止し、別の緊急性の高い処理や特定のイベントに対応するためのメカニズムである。外部からの信号（例：キーボード入力、ディスクI/O完了）や内部的なイベント（例：ゼロ除算エラー）によって発生し、CPUが能動的にポーリングし続けることなく、必要な時だけ特定の処理に移行できる効率的な方法を提供する。タイマ割り込みは、この割り込みの一種であり、特にハードウェアに搭載された「タイマ」と呼ばれる専用の回路が一定時間ごとに発生させる割り込みを指す。 このハードウェアタイマは、多くの場合「プログラマブルインターバルタイマ（PIT）」などと呼ばれ、OSやアプリケーションからの設定に基づいて動作する。タイマは内部にカウンタを持っており、システムのクロック信号に合わせてそのカウンタ値を減少させたり増加させたりする。設定された値にカウンタが到達するか、あるいは0になった時点で、タイマはCPUに対して割り込み信号を生成する。この周期は、ソフトウェアによってマイクロ秒単位から秒単位まで、柔軟に設定することが可能である。 タイマ割り込みの具体的な動作フローは以下のようになる。まず、OSはシステムの起動時や初期設定の段階で、ハードウェアタイマに対して割り込みを発生させる周期（例：10ミリ秒ごと）を設定する。タイマは設定された周期が到来するたびに、CPUの割り込み要求ラインに電気信号を送る。CPUにこの割り込み信号が到達すると、CPUは現在実行しているプログラムの処理を一時的に中断する。この際、CPUは現在の処理状態、例えば次に実行する命令のアドレス（プログラムカウンタ）や、計算途中のデータが格納されているレジスタの内容などを、スタックと呼ばれるメモリ領域に一時的に保存する。 状態の保存が完了すると、CPUは割り込みベクタテーブルという特別なメモリ領域を参照する。このテーブルには、様々な種類の割り込みに対応する割り込みハンドラの開始アドレスが登録されており、タイマ割り込みに対応するハンドラのアドレスが特定される。CPUはそのアドレスにジャンプし、タイマ割り込みハンドラの実行を開始する。 タイマ割り込みハンドラでは、OSのスケジューラが起動されるのが一般的である。スケジューラは、現在実行中のプロセス（プログラム）の実行時間を監視し、次の実行に切り替えるべきプロセスがないか判断する。たとえば、設定されたタイムスライス（CPUが1つのプロセスに割り当てる実行時間）が経過していれば、現在のプロセスを一時停止させ、次に実行すべき別のプロセスにCPUの制御を移す「コンテキストスイッチ」と呼ばれる処理を行う。この際も、切り替える前のプロセスの状態を保存し、切り替える先のプロセスの状態を復元する作業が行われる。また、タイマ割り込みハンドラは、システムクロック（現在時刻）を更新したり、定期的にデバイスの状態をチェックしたり、ネットワーク通信のタイムアウト処理を行ったりするなど、システム全体にわたる様々な定期的な処理を実行する役割も担う。 タイマ割り込みハンドラでの処理がすべて完了すると、CPUは割り込み発生時に保存しておいた元のプロセスの状態（プログラムカウンタやレジスタ値など）をスタックから復元し、中断していた処理の続きから実行を再開する。この一連の処理が非常に高速に行われるため、ユーザーには複数のプログラムが同時にスムーズに動作しているように見える。 タイマ割り込みの最も重要な応用の一つは、マルチタスクオペレーティングシステム（OS）の実現である。タイマ割り込みがなければ、一つのプログラムがCPUを独占し、他のプログラムはCPUの実行権を得るために現在のプログラムの終了を待たなければならなくなる。タイマ割り込みは、OSが強制的にCPUの制御を奪い返し、次に実行すべきプログラムに切り替えることを可能にするため、複数のアプリケーションやプロセスが時間共有で実行される「プリエンプティブマルチタスク」を実現する上で不可欠である。これにより、ユーザーはWebブラウザで情報を閲覧しながら、同時に音楽を再生し、裏でファイルのダウンロードを行うといった、現代のコンピュータ操作に不可欠な体験が可能となる。 また、タイマ割り込みは、システムの正確な時刻管理にも寄与する。定期的な割り込みによって、OSはシステムクロックを正確に更新し、イベントのタイムスタンプやスケジュールの管理に利用する。さらに、デバイスドライバが特定のハードウェアの状態を一定間隔で確認したり、ネットワークプロトコルが通信のタイムアウトを監視したりするなど、様々なシステムレベルのタスクにおいて、タイマ割り込みは欠かせない基盤技術となっている。リアルタイムシステムのように、厳密な時間制約のもとで動作が求められる環境では、タイマ割り込みは特定のタスクを決められた時間内に確実に実行させるための重要な役割を果たす。このように、タイマ割り込みはコンピュータシステムが効率的かつ安定して動作するために、不可欠な根幹技術の一つである。