【コラム】

セカンド・オピニオン

199 OS小論:OSの構造をもう少し考えてみる(5)

 

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Interruptその2

たとえばMS-DOSの場合、複数のIRQが同時に入る場合の優先順位はPICで決まっていた。なつかしの8259の場合、8レベル(割り込みレベル0~7)が決まっており、割り込みレベルが小さいほど優先して動作するという特徴があった。このため、たとえばある処理の実行中に、割り込みレベル0~2の処理が「同時に」入ったとすると、その実行は図1の様な順序で行われる事になる。

図1

このシステムはきわめて単純でいいのだが、時として割り込みを掛けても処理がちっとも行われないためにタイムアウトを起こす、なんて事がありえる。えらく昔の話で恐縮だが、UARTチップとしてNSの16450および16550A(*1)というチップがPCに使われていたことがある。両者は基本的に同じものだが、大きな差は16550Aが16BytesのFIFOを持っていたことだ。16450を使って通信を行うと、上に述べた理由でRS-232Cのドライバがデータを取りこぼす場合があった(つまりデータが来て割り込みを上げても、ドライバが直ぐに動けなかったため、実際にドライバがデータを取りにゆくと既に次のデータが到達していたりして、データの取りこぼしが発生する)。対して16550Aの方は、最大16Bytesまでデータを溜め込めるので、直ぐにドライバが動かなくても取りこぼしをする確率が大幅に減る、という仕組みである。実際のところ、NS16450でも4800bpsあたりまでは386~486クラスのCPUで問題なく動いていたが、それより高速にしようとすると途端にデータ化けが発生したり通信がうまく行かなかったりすることが頻発し、これが16550Aで解決したという訳だ。

こうした問題は別にUARTに限った話ではなく、だからといって全てのデバイスにFIFOを用意しろというのも無茶な話である。問題は、デバイスのリクエストから実際にサービスまでの時間が読めない事である。その根源にあるのは、デバイスのサービスルーチンの処理が多いものがあり、これが負担となっていることにある。これを解決するのがIRQLの考え方である。

具体的な例をちょっと示してみよう。図1同様に、割り込みレベル0~2のIRQが同時に発生した場合、まず最初にHigh IRQLで割り込み処理ルーチン(ISR:Interrupt Service Routine)が動作する。このIRQLは、一番クリティカルな処理だけを素早く行い、即座に終了する必要がある。先のUARTの例で言えば、

  • 16450のポートからデータを読み出す。
  • 読み出したデータを内部バッファに格納する。
  • 16450の割り込みフラグをクリアする。

程度の処理しか許されない。なぜかというと、なるべく多くのデバイスの処理に間に合わせないといけないからだ。ISRそのものは各デバイスのデバイスドライバの一部として提供される形になるが、ここでの処理を最小限とするから、図2のHigh IRQLの様に、きわめて短い時間で割り込み番号0~2の全てのデバイスをカバーすることが出来る。

図2

ただ、その分ISRで出来ることは極めて限られている。どこで各ISRの処理の最後で、Post ISRの処理をやや低いIRQLをつけて割り込みの形で登録しておくという細工がなされる。この処理は、ISRほどには優先度が高くないが、それでもやっておかなければいけない処理が入る。UARTの例で言えば、通信バッファをまとめる作業というところか。勿論これが不要なものもあるだろうから、そうした場合には更に低IRQLのPost I/Oルーチンの処理をやはり登録して終了ということになる。このPost ISRの処理は、ISRよりも低いIRQLで行われるので、ISRが全部終了するまでは動き出さないし、動作中に別の割り込みが入った場合、そちらのISRの動作のために処理が中断する場合もある。

最後がPost I/Oルーチンである。こちらは一番低いIRQLで動作し、最後の処理を行う。やはりUARTの例で言えば、各プロセスがアクセスできるメモリエリアにデータをコピーするとともに、必要ならユーザーの割り込みルーチンをKickするといった処理を行うことになる。手間から言うとこのPost I/Oが一番長くなるのが普通である。

こんな具合にOS内部では複数のIRQLを分割して扱うことで、多くのデバイスを無理なく廻すための仕組みが搭載されているわけだ。実のところ、この原理自体は、最近のOSではきわめて一般的である。特にリアルタイムOSと呼ばれるものは、少々の例外を除き間違いなくこうした仕組みをとっている。ただ、だからといってWindowsがリアルタイムOSになりえないというのは、遅延時間の保証とかスケジューリングの柔軟性など、リアルタイムOSを構築する際に欠かせない(欠かしても出来なくはないが、大変に苦しくなる)いくつかの特徴を備えていないためであるという話は上巻のP118あたりからに詳しいので、ここでは割愛する。(続く)

(*1) NS16550というチップもあり、これが最初の16450+FIFOなのだが、事もあろうにそのFIFOにバグがあって使えない(!)という有様で、何の意味もなかった。このバグを直したのがNS16550Aである。

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連載目次
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