【コンピュータ】メモリ その1
まずはメモリはコンピューターを構成するどの部分なのかについて。 コンピューターを構成している装置は大きく分けて5種類ある。

そのうちの「制御装置」と「演算装置」は大抵の場合はCPUの中に入っていて、 全ての装置は「BUS」という呼び名の線でCPUと繋がっている。 メモリは「記憶装置」を構成する部品の一つで、「主記憶装置」や「メインメモリ」などと 呼ばれている。

メモリの中にはたくさんのbitを保持する回路が入っていて、bitを束ねた「語」という グループ単位で読み書きに応じている。1語のbit数は4bitや8bit、16bitなど様々である。
ルネサス社のこのRAMの情報を見てみると、「256Kb 低消費電力SRAM(32k word × 8bit)」 と書いてある。「Word」というのが語のことである。

ここに書かれているのは「総ビット数は256kilo、1語8bitで32kilo語を持っています」という意味。

「語」という言葉に馴染めないと思うので、以降はグループという言葉を使う。
その一つ一つのグループには「アドレス」という番号が割り当てられているので、 メモリを読み書きする時はアドレスを伝える必要がある。

また、一度にグループ単位で処理をするのでグループの中の1bitだけ読み書きすることはできない。 蛇足であるが、CPUが1アドレス8bitでメモリにアクセスするからといって、 そのCPUに繋がっているメモリも1アドレス8bitで管理しているとは限らない。


メモリ側の小難しそうな話は後回しにして、CPU側から見たメモリの話に移る。
CPUはメモリから命令を逐一取り出して実行している。命令、つまりプログラムは メモリに入っているわけだ 。
OSを使わないプログラムは大抵はメモリ上のどこに置いても良くて、 多くの場合はアセンブルするときに配置する番地を指定する。

CPUには現在メモリのどこの命令を実行しているのかを指しているレジスタがある。 それが「PR」プログラムレジスタだ。CPUによっては「PC」プログラムカウンタや、 「IP」インストラクションポインタと呼ばれたりもする。 さっき少しだけ、OSがプログラムを実行する時の話を出したが、 OSが起動する前、電力が供給され始めてCPUが最初に動き出した時はどこの命令から 実行を始めるんだろうか？
CPUが最初に実行を開始するアドレスの指定方法はCPUの種類ごとに違うのだが、おおよそ2種類。 1つ目は決められたアドレスからスタートする方式で、例えばIntelのCPU 8086は0xFFFF0番地の 命令から実行されるようになっている。

もう1つの方法は、最初に実行する命令が置かれているアドレスを指定のアドレスから読み込んで プログラムレジスタに代入するタイプである。 例えば、モトローラのCPU MC6809は、0xFFFE番地と0xFFFF番地に入っている値を取ってきて それをプログラムレジスタに代入してスタートする。

どちらの方法でもCPUが動き出した時にはメモリにプログラムが入っている必要がある。 8086ではメモリの0xFFFF0番地にプログラムが入ってないといけないし、 MC 6809 なら0xFFFEと0xFFFF番地にアドレスが入っていないといけない。 ちなみに、最初に実行されるアドレスやその値を入れている場所は 「リセットベクタ」 そこから実行される、最初に動き出すプログラムを「ブートストラップ」や 「BIOS」 などと呼んでいる。
パソコンのBIOSは、補助記憶装置からOSなどのプログラムをメモリに読み込んで それの実行を開始したりするのだが、 炊飯器や電子レンジのような単機能の機器では、ブートストラップがメインのプログラムに なっていることが多く、そういったOSを使わないプログラムは 「ベアメタル」 などと呼ばれる。

ところで、CPUにリセットベクタやブートストラップを提供しているのは誰だろうか？ それは「ROM」リードオンリーメモリである。
ROMにはいくつか種類があるが、基本的にはどれも

【コンピュータ】メモリ その3
CPUとメモリを繋げているバスの話をする。
「バス」とは、回路を結ぶ通信線や配線のことで、今回はCPUと他の装置を繋いでいる 一般的なバスを取り上げる。 なぜバスの話をするのかというと、記憶装置だけではなく入力装置や出力装置の話をする時に 説明が必要になるからだ。
まず最初にこの図を見てほしい。

3種類の線がCPUとメモリを結んでいる。
アドレスバスというのは、CPUがメモリにアクセスする時に使うあのアドレスのこと。 「今からどのアドレスにアクセスします」ということをメモリに知らせるための線である。 線の数はアドレス幅、例えば最大64KiByte、つまり16bitのアドレスにアクセスできるCPU なら 16本の線がメモリに繋がっている 可能性がある。

この画像は、モトローラのMC6809という8bitのCPUの足、通称「ピン」の配置図である。 A0からA15までの16本のピンがある。これがアドレスバスの信号が出ている所。 AはAddressのA。ちなみにこの業界では、アドレスの範囲のことを「アドレス空間」 と言ったりする。

ところで、上で「可能性が高い」と言ったのは、アドレスが16bitなら線も16本とは限らないからだ。 例えば64bit CPUでは64本の信号線が出ているかというと、そんなことはない。
64bitで表せる最大数は2の64乗-1だから16EByte、16384PByteのメモリを扱えそうだけど、 実際にそれだけのメモリを物理的に搭載することができない。
仮に1枚1PByteのメモリが存在するとしても、1万枚も挿す場所はないだろう。
つまり、広いアドレス空間を持っているCPUではアドレスのbit数と信号線の数は一致しないことがある。



次のデータバスは、データを送受信するための信号線である。
CPUがメモリから読むときはメモリがデータバスに信号を出して、 CPUがメモリに書き込むときはCPUがデータバスに信号を出す。


MC6809にはD0からD7の8bit分のピンがある。DはDataのD。



次はコントロールバスだ。
CPUはメモリからデータを読み出したり書いたりするから、 読もうとしているのか、書こうとしているのかをメモリに教えないといけない。

MC6809では32番ピンのR/Wという信号がそれだ。
ちなみに、R/WのWにオーバーラインが引いてある。 これはWが「アクティブロー」であることを示している。
電圧がHIGHのときに1やON、つまりそのピンの機能が有効、 アクティブになるものは「アクティブハイ」と呼ぶ。
その逆で、電圧がLOWのときにアクティブと見なす「アクティブロー」というものもある。

次にメモリ側のピンを見てみよう。

この図はルネサスエレクトロニクスの32KiByteSRAMのピン配置図である。
アドレスバス用のピンはA0からA14までで、A15が無いことに注目して欲しい。 これは、このメモリの容量が32KiByte、つまりアドレスは0から0x7FFFまで、15bitで十分だからだ。
データバスはDQ0から7までちゃんと8bit揃っている。

さて、CPUにはあったR/Wピンが無い。
このRAMの場合、データを読み出したい場合はOE#、書き込みたい場合はWE#というピンを使う。 #は「アクティブロー」の意味である(業界で統一して欲しい)。
こういったR/Wピンを持たないメモリは、変換回路を介してCPUと繋げる。

ROMのピンも見てみる。

こちらはマイクロチップの「27C128」というEPROMのピン配置図である。
サイズは16KiByteなので、アドレスは0～16383、16進数だと0x3FFFまでだから、 アドレスバスもA13までの14本になっている。
読み出し用のOEピンはあるけど、書き込みを支持するWEピンが無い。

さて、ここまで出てきたRAMとROMのチップをCPUのバスにつなげても動作しない。
RAMもROMもアドレスは0番地から始まるからだ。


つまり、CPUが0番地を読みだそうとすると、RAMもROMも自分の0番地のデータを データバスに出力するので、CPUは正常なデータを受け取れない。　



この問題を解決するのがRAMやROMにあるCS(チップセレクト) やCE(チップイネーブル)と呼ばれる信号で、この信号が アクティブのときだけチップは反応してくれる。

ということで、メモリから正しいデータを取り出すための配線を 考えてみるんだけど、どのメモリチップにアクセスするかを決める判断材料って 何があるだろうか？アドレスしかなさそうだ。
そこでまずはどのアドレスに対してどのメモリチップを動かすのかを決める。
ここで出てくるのがメモリマップだ。

ここではRAMを0番地以降に、ROMを0xC000番地以降に割り当てることにする。
RAMの容量は32KiByteだから、0x0000～0x7FFFまで、ROMは16KiByteだから 0xC000～0xFFFFの空間に割り当てられて、0x8000～0xBFFFは空きになる。

チップに割り当てるアドレスが決まったので、アドレスが0x0000～0x7FFFならRAMのCSを、 0xC000～0xFFFFならROMのCSをアクティブにする回路を作る。
ちなみにその回路は 「アドレスデコーダ」と呼ばれている。 アドレスデコーダはメモリチップごとに作るのが普通なので、今回はRAM用とROM用の二組を作る。

まず、RAMのアドレスは0x0000～0x7FFFFなので、アドレスのMSBが0のときはRAMのアドレス ということになる。

MSBだけで判定できるなら、CPUから出ているアドレスバスのMSB、つまりA15を そのままRAMのCSに繋げれば良さそうだ。RAMのCSはアクティブローだから変換も要らない。

ROMのアドレスは0xC000以上だから、アドレスの上位2bitが1だったらROMのアドレスということ。

となると、アドレスバスのA14とA15の両方が1のときに0を出力すればよいのだから、NANDを 使えば良さそうだ。

これでアドレスデコーダが出来た。RAMの方は回路要らなかった。


配線の最後はメモリチップに繋げるアドレスバスの信号を確認する。
RAMはA0～A14、ROMはA0～A13までのピンをそのままアドレスバスに繋げれば良さそうだ。

さて、ここでバスの動作を簡単におさらいしよう。 まずは、CPUがメモリからデータを読み込む動作、業界では「リードサイクル」って呼んでいる。

【コンピュータ】メモリ その4 メモリ境界/ROMとRAMの種類 前回の最後で取り上げた「アドレスを半分にする」ということを記載する。
さて、アドレス半分のところの話は図で書くとこうだ。

データバスが16bitの普通の16bitCPUで、メモリチップは偶数番地と奇数番地に分かれている。
この結線だとアドレス0から読むと0x3412が返ってくる。これは問題ない。

しかし、アドレス1から読んでも0x3412が返ってくる。 0x5434が返ってくるのが正解じゃないの？

これには「メモリ境界」や「境界整合」、「メモリアライメント」 、 「バウンダリ」などと呼ばれる仕様が絡んでいる。
まず「境界」の話。データバスが16bitなら、16bitが境界になる。太線で区切っているところだ。

CPUがそこを跨いでアクセスしようとした場合の仕様が大きく2つある。
1つ目は、CPUやOSが頑張って0x5634を返してくれるケース。 メモリを2回アクセスして、0x3412から0x34を、0x7856から0x56を取り出し、 合成して返してくれる。
メモリに2回アクセスするから遅くなるし、CPUの構造も複雑になるが、 昔のプログラムが改造なしにそのまま動いてくれる可能性が高まるというメリットがある。

もう1つはそれを許さないケース。境界を跨ぐアドレスを指定するとCPUがエラーとみなして 実行を止めてしまう。UNIX系のOSでCやC++などで開発している人なら経験する。
境界を跨ぐデータ構造を設計してしまうと、境界跨ぎを許すWindows側では問題ないのに、 許さないUNIX側でエラーが出てしまう。

今回は、前回出てきたROMとRAMの種類を挙げていく。

ROMの種類

RAMの種類

【コンピュータ】Ｉ／Ｏ(アイ・オー)
キーボードやマウスは入力装置。プリンタ や モニターは出力装置である。 CPUと装置がどのように繋がっているのかを記載する。
典型的なコンピュータでは、装置がメモリと同じバスに繋がっていて、メモリにアクセスする要領で機器と通信している。

この、機器と情報をやり取りする窓口をメモリと同じバスに繋げる方式を 「メモリマップドI/O (Memory Mapped I/O)」と呼ぶ。 IT業界では、窓口のことを「ポート」、機器と情報をやり取りするためのポートを「I/O ポート」と呼ぶ。
LEDを点灯させる「Lチカ」を例にして、LEDをどのようにCPUのバスに繋げればプログラムから点灯や消灯をさせることができるのかを追っていく。
メモリ3の動画で、ROMとRAMをCPUのバスに繋いだ。その話では0x8000から0xBFFFは空きにしていたので、 今回0x8000番地にLEDを1個だけ繋げて、0x8000番地に1を書き込むとLED が光り、 0を書き込むと消える回路を追加するという話にしてみる。

単純に考えると、1で光るようにするのならデータバスのD0にLEDを繋げばよさそうである。

そのような配線をして以下のプログラムを実行すると、0x8000番地に一切アクセスしてなくても LEDが点滅もしくは点灯する。

【コンピュータ】シリアル・パラレル通信。どうやってデータを送ろうか？送受信両方にコミュ力が必要。
通信方法はパラレルとシリアルがある。 まずは両方に共通する基本的なところから。
4bitある情報をどうやって相手に渡そうか。
4bitあれば0～15までの16個の値を表せるから、例えば 電圧に変換して、0は0V、15は15Vで表すという手がある。
受信側は電圧を検出して元の4bitに戻せばよくて、実際こういう通信方法もある。
8bitを0Vから255Vで表せばもっと多くの情報を一度に送れる...というふうにはならない。

255Vなんて電圧を扱うのは危険だし、一般家庭のコンセントは100Vだから255Vを作ってやる必要もあり、かなり無理がある。

じゃあ1Vをやめて0.4V単位にすれば最大102Vになるけど、それでも危険な電圧。
0.1V単位にすれば最大25.5Vになるけど、コンピュータの中で多く扱われる電圧は高くて12Vくらいだからまだまだ。
0.04Vくらいでようやく最大10.2Vに落ち着く...とはならない。

0.4Vの検出なんてのは難しい。 電気信号というのは距離が長くなると弱ったり、角が取れてなまったりもするので、 こういうアナログ的な方法はコンピュータの通信にはあまり向いてない。
ということで、コンピュータの通信では1回で1bitを、0は0Vとして、1は検出可能な程度に離れた電圧を使うことが多い。
1つの線で一度にたくさんの値を表現するのは難しい。

今受信側は1を表す5Vをずっと検出しているんだけど、ビットの区切りはどこだろうか？

たとえ、1秒ごとに区切られているとしても、送信開始のタイミングが受信側にわからないと
受信側はタイマーなどを使ってテンポよくデータを読めない。
仮にお互いの時計が完璧に同期していて、送信開始時間を完璧に合わせられたとしても、
データが流れる通信線の長さ分だけ相手に届くのに時間がかかったりするから、
指定時間でタイミング合わせなんて不可能に近い。
1秒ごとに1bitの送信くらいならできそうだけど現実的じゃない。
ということで、一致しているとしてもデータを検出するためのタイミング合わせに時計は使えない。
じゃあどうするんだと言うと、送信側が「受信して」という情報を受信側に送れば良い。
実際に何らかの方法で送信側が合図を送ってるんだけど、それは個別に話していくことにする。

ということで 個別の話に入る。 パラレルというのは並列という意味で、 ここでは複数の線を使って同時に複数bitの送受信をする方式を指す。
4bitを送る場合は各bitごとに線が用意される。これをデータ線と呼ぶことにする。
それと、タイミングを知らせるための線を1本追加して、それをクロック線と呼ぶことにする。

さて、送信するときは、送信側はデータ線に各bitの情報を出力し、 次にクロック線に一定時間1を出力する。
クロック線に流す信号は「クロック」「クロックパルス」などと呼ばれる。

受信側はクロック 線を監視して、1から0になったタイミングでデータ線の信号を取り込む。 (0→1で取り込むものもある) この方法だと、受信側にタイマーは必要なく、送信側もパルス幅を毎回同じにする必要はないから タイマーを使わなくても送信できる。


さて、パラレル通信では1回に送るbit数が8なら8本、16bitなら16本のデータ線が必要になる。
64bitなら64 本必要になるので、bit数の増加に伴ってケーブルが太くなるし基板の面積も消費していく。
さらに良くないことに、速度が速くなってくるとパラレル通信はシリアル通信よりも距離に気をつける必要が出てくる。
例えばこんな配線で IC同士がパラレル接続されているとする。 bit3の線が一番長くなっていることが分かる。


ということは、bit3のデータは一番遅く届くと考えて、 それを考慮してクロックパルスを出力するタイミングを決めないといけない。 そんなこんながあって、基板上の通信用パターンはグループで同じ長さになるように調整されていることがある。
こんなうねうねしたパターンを見かけたことはないだろうか？


これはミアンダ配線と言って、他の信号線と長さを揃えるためにわざと長距離にしている。 それと、パターンのコーナーが若干ながら丸みを持っている。 直角に曲がっているパターンはほぼ見かけないだろう。 それは、直角の部分が直線部分より面積が広くなって電気的な特性が変わり、 特に高速通信に悪影響を及ぼすからである。

他にも、パラレル通信はデータ線が多いから隣のデータ線に干渉しやすい。(漏話、クロストーク)

そんなこんなで、現在では高速通信する機器同士の接続にパラレル通信が使われることは少なくなった。

これは、昔はどの家庭にも1本はあったケーブルで、マザーボードとHDDをつなげるのに使われていたIDEケーブルだ。


データ線が16本のパラレル通信、その他の信号やGNDも合わせて40本ある。
コネクタも大きくてマザーボードの面積を喰っていた。
結局、パラレルのままでは速度を上げにくくなったため、SATAというシリアル通信の規格にバトンタッチした。

シリアル通信

UARTというシリアル方式の代表的な通信がある。
UARTはパラレル通信のようなクロック線が無い代わりに、スタートビットとストップビットを データの前後に入れて、受信側にタイミングを知らせている。
しかし、クロック線を使用するシリアル通信もあり、線が1本追加になる。
I2CやSPI などがクロック線を持ってるシリアル通信である。
I2Cはデータ線が1本しかないので送信と受信は同時にできない。
SPIは分かれているので、送受信を同時に行える。
送受信が同時にできないことを「半二重」、出来ることを「全二重」と呼ぶ。



(以降は、クロック線を使用しないシリアル通信に限定して書く)
スタートビットを合図にするシリアル通信の利点は、クロック線が不要なこと。
受信側はスタートビットを検出したら、その時点からあらかじめ決められたタイミングで 信号を拾っていけば良い。 ちなみに、何かのタイミングで信号を拾うことを「サンプリング」や「ラッチ」と言う。



データ線1本で済むから、送信側はクロック線にクロックを出力するタイミングを考える必要はなく、 同じリズムでデータを送り続ければ良い。
その代わり、受信側にはタイマのようなリズムを刻む機能が必要になる。
ここで ストップビットがなぜ必要か考えてみる。なぜ8bitで区切るのだろうか？

その理由の一つは、送信側と受信側のタイマーそれぞれに誤差があるので、いずれは受信側が正しくない位置をサンプリングし始めるため。
例えばこの例のように、10ビットを超えたあたりから出鱈目な位置をサンプリングし始める。



これは通信速度が速くなるほど問題になる。なので、 最後までタイミングがずれていなかったことを確認するためのストップビットをつけたり、
毎回スタートビットを送ってサンプリングの位置を合わせている。

であれば、bitのONやOFFが変わったタイミングでサンプリングのリズムを合わせ直せば？と思うかもしれない。



しかしそれだと、LまたはHの状態が続くとタイミング合わせができなくてずれてしまう。
そこで8b/10bと呼ばれる変換方法が考えられた。
8b/10bは、8bitのデータを10bitに拡張して、拡張する際に同じ値が5つ以上並ばないようにする。
そうすることで、最悪でも4bitごとにサンプリングの位置を調整できるようになるので、 毎回スタートビットやストップ ビットをつけなくても済むようになる。



スタートビットがない方式というのもある。
メジャーな方法としては、データの最初に同期用のデータを数バイトから数十バイトほど付加するやつ。
たとえば、0xAAのような1と0が交互に並ぶパターンを続けて送った後に、0xABのようなパターンを1つ送る。
1と0のパターンでサンプリング位置を調整して、最後の1の連続で調整が間違っていないことを確認する。
ちなみに、この同期用のデータは「GAP」や「プリアンブル」などと呼ばれている。


シリアル通信はパラレル通信に比べて線の数を少なくできるからか、現在のパソコンで使われる通信方法は多くがシリアル通信である。
例えば、HDDやCD-ROMを繋ぐSATA。40本から7本に減った上に速度も向上している。
※SATA（Serial ATA）とは、コンピュータ本体とSSDやハードディスク、光学ドライブなどのストレージ(外部記憶装置)を接続する標準規格の一つ。


他にも、周辺機器をつなぐUSB、拡張ボード用のPCI Express、HDMIやDisplayPortもシリアル。

ところで、シリアル通信もパラレル通信のように線の数を増やせば、倍の量のデータが送れるのでは？
実際その通りで、USB 3.2 や PCI Expressはそうやって転送量を増やしている。

ここで簡単に USB の進化の流れを見てみる。
まずはUSB 2.0から。2本の線を使用して通信しているが、信号のバランスを取るために2本の線で1本分の働きしかできない。
これは以降のUSB 規格でも同じ。


送信と受信は同時にできない半二重なので、PCからUSB機器へ、USB機器からPCへと切り替えながら通信している。
転送速度は480Mbpsで、ケーブルの最長は5m。
ちなみに1本分の働きをする2本の線は「レーン」と呼ばれる。USB 2.0のレーン数は1である。

次に出てきたのが、USB 3.0。専用のピンを追加して、3.0で使用できる信号線は4本で2レーンになった。
それと、この時には8b/10bも採用して速度も5Gbpsにアップした。
その代わり、ケーブルの長さは最長3mと短くなった。


次の USB 3.1の線数は3.0と同じ。8b/10bを128b/132bに変えたりして速度は10Gbpsになったがケーブルの最長は1mと短くなった。
当時の技術ではコネクタそのままでさらなる速度の向上が難しかったのか、 次のバージョンでは別の方法が取られた。
次に出てきたUSB 3.2は、コネクタをType-Cに変更して通信に使う線を増やした。


Type-Cには8本4レーンの線があるので、送受信共に1レーン増やして2倍のデータが扱えるようになった。
速度は20Gbpsに向上。ケーブルの長さは最長1m のまま。
1レーンの転送量は10Gbpsのままなので、20gbps の速度を出すためにはPCとUSB機器の両端ともに Type-Cで接続して、送受信ともに2レーンを使わせる必要がある。

さてここまでだとシリアルが最良のような印象を受けるが、パラレルにも頑張ってるやつがいる。
それは、ネットワークの[1000BASE-T]である。
[100BASE-TX]ではシリアル通信であったが、[1000BASE-T]は様々な技術を盛り込んでパラレル通信になった。
まずは、送信と受信を同じ線で同時にやっている。
このおかげで、送信も受信も8本4レーンがフルに使える。
次に、クロストークは「クロストークキャンセラー」、信号の反射は「エコーキャンセラー」で対応している。
そして、最長距離は100mと長い。

bitの送り方はかなり特殊で、1回のクロックで9bitの情報が送れるようになっている。
普通に考えれば4レーンしかないので、一度に4bit、つまり 16個の値しか送れないが、
電圧に段階をつける方式を採用してるので、一度に多くの値を送れる。

UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)

マイコンに組み込まれた機能の1つで，他のマイコンや周辺機器との通信規格。クロックを使用しない。

【コンピュータ】CPU その３ 割り込み(Interrupt)
割り込みとは、現処理を中断して規定処理を実行させるための仕組みのことで、 CPUに割り込みを要求すると、その時の処理を止めてあらかじめ登録しておいた処理を 実行させることができる。


人間に例えると、仕事をしているとトイレに行きたくなって、トイレを済ませた後に 仕事の続きに戻るイメージである。
用語で例えると、割り込みの名前は「トイレ割り込み」、「トイレに行きたい」が割り込み要因、 「トイレを済ませる」のが「割り込み処理」だ。
「トイレに行きなさい」は 「割り込み要求」で、英語のInterrupt Requestを訳してIRQという。
トイレに行きたくなっても「仕事の切りが良くなってからトイレに行く」ように、 CPUも実行中の命令を完了させてから割り込み処理に移るようになっている。

例えばこのCPL命令を実行中に割り込みが要求された場合は、CPLの処理が終わった後、 JZEが実行される前に割り込み処理に移る。
割り込み処理が終われば戻ってくるから、移動はJUMPではなく特殊なCALL、 特殊なサブルーチン呼び出しで行われる。

割り込みの種類は装置が要求する「ハードウェア割り込み」と、 プログラムが要求する「ソフトウェア割り込み」 の2つに 大きく分けられる。


ハードウェア割り込みは、ボタンが押されたとか、指定の時間が経過したことをCPUに知らせたりと 装置から要求というか「通知」される割り込みなので、いつCPUに要求されるかわからないケースが ほとんどである。
ハードウェア割り込みの偉大さを知るために、例として割り込みを使わない こんなプログラムを考えてみよう。
機器の制御を行うシステムで、コンピュータが動作していることを知らせるために0.2秒ごとに LEDを点滅させたいとする。
コンピュータにはダウンタイマという装置がI/Oポートに繋がっていて、そのポートに値を 書き込むと1ミリ秒ごとに1減っていって0になったらそれ以上減らないようになっている。
これを利用して、ポートに200を書き込んだ後このポートから読み出した値が0になるまで 待つことで0.2秒が経過したかを判断することにする。


LEDを点滅させるだけのプログラムを考えると、LEDを点灯させた後にダウンタイマポートに 200を書き込み、ダウンタイマポートが0になるまでポートを読んでチェックを繰り返し、 0になったらLEDを消灯させてダウンタイマに200を書き込んでポートが0になるまで チェックを繰り返す。
これを繰り返せばよいのだから、このようなサブルーチンを作って機器の制御処理から 時々呼び出せばよい。
では、機器を制御するメインプログラムをどう作るか考えてみよう。


メインの処理から時々BLINKサブルーチンを呼び出せば良いから、処理のループの中で BLINKを呼び出すようにしてみた。
しかしこのプログラムを実行するとLEDは点滅はするけど点滅のリズムが一定じゃないので 見ていて気持ち悪い。

各処理の合計時間が0.2秒以上になるのが原因だと思うので、BLINKを呼び出す回数を増やしてみた。 さっきよりは少しマシになったけど、それでも点滅のリズムが狂うことがあって気持ち悪い。 調べたら時々「処理C」に時間がかかることが判明したので、処理Cを呼び出す前にも 追加してみた。

そして結局全ての処理の間で呼び出すようにしてみたけど、納得いくような点滅にはならなかった。

全ての処理は、その処理にかかる時間が常に一定ではないからどうしようもない。
点滅周期を遅く、例えば0.5秒にすれば改善されるかもしれないが、 どれくらい改善されるかは やってみないとわからない。


さらにもっと多くの場所に「CALL BLINK」を追加すればそれなりに改善はするかもしれないけど、 あらゆる場所に追加しないといけないのは コードの保守性から見ると疑問。
また、常にダウンタイマのチェックをさせるのは、常にCPUに無駄な電力を消費させている。

まとめると、割り込みを使わなくても実現できなくはないけど、保守性が低く、 しょっちゅう点滅処理を呼び出すから肝心の制御処理が遅く、電気を食って、 気持ち悪い点滅をするプログラムになりそうだ。

では割り込みを使ったプログラムにするとどうなるか。

前提として、ダウンタイマ装置は残り秒数が0になったらCPUに割り込みを要求するように なっているとする。 その前提を使ったLED点滅割り込み処理はこんな感じになる。

割り込み処理BLINKは残り秒数が0になったときに呼ばれるんだから、ゼロチェックはいらない。 なので、次の割り込みを発生させるために200を書き込む処理と、 LEDの点灯状態を反転させる処理だけをすれば良い。


プログラム全体としては、まず最初にダウンタイマの割り込み処理先として BLINKのアドレスを登録する。
それが終わったらメインの処理は制御処理だけを実行する。
ダウンタイマが0になれば割り込みが発生してBLINKが実行されるから、メイン処理は LEDの点滅処理に一切関わらずに済むのでコードが綺麗で保守性が良い。 CPUはダウンタイマのチェックを行う必要がなくメイン処理の実行に専念できるので制御処理は早く、 電力もメイン処理にほぼ使われる。ほぼ0.2秒周期でBLINKが呼ばれるので点滅のリズムも一定。

ちなみに、CPUは「割り込みを受け付けないで欲しい」という要望に答えてくれるようになっている。 大抵のCPUはフラグレジスタの中に「割り込み許可フラグ」を持っているので、 このフラグをoFFにすれば割り込み処理は実行されなくなる。 CPUによっては許可ではなく「割り込み禁止フラグ」だったりする。
だけど、割り込み許可フラグをOFFにしても禁止できない割り込みもある。

例えば、CPUに供給されている電圧が下がった場合に発生する割り込みなど、 緊急や異常を知らせる割り込みは禁止にできないことが多い。禁止できない割り込みを ノンマスカブル割り込み(NMI)という。

ソフトウェア割り込みは、プログラムから意図的に発生させる割り込み。

OSのサービスを呼び出す、スーパーバイザコールで使用されたりする。