C言語割り込み処理入門！知らないと損する7つのステップ

はじめに

C言語はその強力さと柔軟性から広く使われているプログラミング言語です。

特にシステムプログラミングの領域で重宝されています。

その中でも、今回はC言語を用いた割り込み処理について詳しく解説します。

これは、初心者がC言語の割り込み処理をマスターするための7つのステップを提供します。

詳細なサンプルコードを通じて、具体的な実装方法を学びましょう。

●C言語とは何か

C言語は、1970年代にAT&Tベル研究所で開発されたプログラミング言語です。

そのシンタックスは他の言語に大きな影響を与えており、現代の多くのプログラミング言語はC言語からインスピレーションを得ています。

C言語の最大の特徴の一つは、低レベルのアクセスと高レベルの抽象化を組み合わせて、プログラマがハードウェアに直接アクセスする能力を提供することです。

●割り込み処理とは何か

割り込み処理とは、CPUが現在の処理を一時停止して別のタスクを優先的に処理する仕組みを指します。

これは通常、ハードウェアからの信号（割り込み）によって引き起こされます。

割り込み処理は、リアルタイム性が求められるシステムで特に重要です。

例えば、ユーザー入力を待つゲームアプリケーションや、センサーからのデータをリアルタイムに処理する組み込みシステムなどがあります。

●C言語での割り込み処理の基本

○割り込み処理の仕組み

C言語における割り込み処理の仕組みは、ハードウェアレベルで動作します。

割り込みが発生すると、CPUは現在のタスクを中断し、特定の割り込みハンドラと呼ばれる関数に制御を移します。

割り込みハンドラは、割り込みの原因を取り扱い、適切なアクションを行います。

そして、その処理が完了したら、中断されたタスクを再開します。

○割り込みハンドラ

割り込みハンドラは、割り込みが発生した際に呼び出される特別な関数です。

この関数は通常、特定の割り込みのタイプに対応しています。

例えば、タイマー割り込み、キーボード入力割り込み、ネットワークパケット到着割り込みなどがあります。

割り込みハンドラの主な役割は、割り込みを適切に処理し、システムを通常の状態に戻すことです。

●C言語での割り込み処理の実装

実際のC言語での割り込み処理の実装に進みましょう。具体的なサンプルコードを用いて解説します。

○サンプルコード1：基本的な割り込み処理

このコードではシグナルを使って割り込み処理をする基本的な方法を紹介しています。

この例ではSIGINT（Ctrl+C）を受け取って特定の処理を行っています。

シグナルは一種の割り込みで、特定のシグナルが発生したときに指定した関数（シグナルハンドラ）が呼び出されます。

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

// 割り込みハンドラ
void handler(int signum) {
    printf("割り込みが発生しました。\n");
}

int main() {
    // SIGINTに対するハンドラを設定
    signal(SIGINT, handler);

    while(1) {
        printf("プログラムは実行中です。\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

上記のコードを実行すると、「プログラムは実行中です。」というメッセージが毎秒出力されます。

この間にCtrl+Cを押すと、「割り込みが発生しました。」と表示されます。

これは、SIGINT割り込みが発生し、設定した割り込みハンドラ（handler関数）が呼び出されたためです。

○サンプルコード2：割り込みハンドラの作成

割り込みハンドラを作成する方法について見てみましょう。

このコードでは、特定のシグナル（SIGINT）を受け取ったときに動作する割り込みハンドラを設定しています。

#include

 <signal.h>
#include <stdio.h>

void sigintHandler(int sig_num) {
    signal(SIGINT, sigintHandler);
    printf("Ctrl+Cが押されました。\n");
    fflush(stdout);
}

int main () {
    signal(SIGINT, sigintHandler);

    while(1) {
    }
}

このプログラムは無限ループを実行しますが、ユーザーがCtrl+Cを押すと”Ctrl+Cが押されました。”と出力されます。

これはSIGINTシグナル（割り込み）が発生した際に、sigintHandler関数（割り込みハンドラ）が呼び出されるからです。

○サンプルコード3：割り込み要因の設定

具体的な割り込み要因を設定する方法について見てみましょう。

このコードでは、特定の時間が経過したら割り込みが発生するように設定しています。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void alarmHandler(int signum) {
    printf("時間が経過しました。\n");
}

int main() {
    signal(SIGALRM, alarmHandler);

    // 5秒後にアラームを設定
    alarm(5);

    // 無限ループ
    while(1) {
        printf("プログラムは実行中です。\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

このコードは、毎秒「プログラムは実行中です。」を出力します。

しかし、5秒後に「時間が経過しました。」が表示されます。

これは、5秒後に発生するSIGALRM割り込みによって、設定したalarmHandler関数が呼び出されるからです。

○サンプルコード4：割り込み処理のテスト

割り込み処理が正しく動作することを確認するためのテスト方法について見てみましょう。

下記のコードは、割り込みが発生したらメッセージを出力する単純なプログラムです。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void interruptHandler(int signum) {
    printf("割り込みが発生しました。\n");
}

int main() {
    signal(SIGINT, interruptHandler);

    while(1) {
        printf("プログラムは実行中です。\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

このプログラムは無限ループを行いながら、「プログラムは実行中です。」と表示します。

この間にCtrl+Cを押すと、「割り込みが発生しました。」と表示されます。

これは、SIGINT割り込みが発生した際に設定したinterruptHandler関数が呼び出されるためです。

●割り込み処理の注意点と対処法

割り込み処理にはいくつか注意点があります。一つは、割り込みハンドラの中で時間がかかる処理を行わないことです。

割り込みハンドラはできるだけ早く処理を終わらせ、元のタスクに戻るべきです。

時間がかかる処理が必要な場合、その処理を別のタスクやスレッドで行うべきです。

また、割り込みハンドラの中で割り込みを再度発生させることも避けるべきです。

これは無限ループを引き起こす可能性があります。

さらに、割り込みハンドラの中では、一部のシステム呼び出しやライブラリ関数の使用が制限されています。

これらの関数を呼び出すと、予期しない挙動を引き起こす可能性があります。

具体的な制限は、使用しているOSやC言語の実装によります。

最後に、割り込み処理は並行処理の一種であり、競合状態やデッドロックなどの問題を引き起こす可能性があります。

これを防ぐために、割り込みハンドラ内での共有リソースのアクセスを適切に同期する必要があります。

●割り込み処理のカスタマイズ方法

割り込み処理は多くのカスタマイズが可能です。

例えば、特定の割り込みに対して異なるハンドラを設定したり、ハンドラ内での動作を変更したりできます。

○サンプルコード5：カスタム割り込み処理

下記のコードは、SIGUSR1とSIGUSR2という2つのユーザー定義割り込みに対して、それぞれ異なるハンドラを設定しています。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void sigusr1Handler(int signum) {
    printf("SIGUSR1が発生しました。\n");
}

void sigusr2Handler(int signum) {
    printf("SIGUSR2が発生しました。\n");
}

int main() {
    signal(SIGUSR1, sigusr1Handler);
    signal(SIGUSR2, sigusr2Handler);

    while(1) {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

このプログラムは、SIGUSR1が発生すると”SIGUSR1が発生しました。”と表示し、SIGUSR2が発生すると”SIGUSR2が発生しました。”と表示します。

それぞれ異なるハンドラが呼び出されることで、割り込みの種類によって処理を分岐できます。

○サンプルコード6：低レベル割り込み処理

C言語は高レベル言語であり、多くの場合、低レベルの割り込み処理はOSやハードウェアに依存します。

しかし、一部のプラットフォームやコンパイラでは、低レベルの割り込み処理を行う方法が提供されています。

ARM Cortex-Mマイクロコントローラでの例を紹介します。

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        printf("割り込みが発生しました。\n");
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

このコードでは、外部割り込み0が発生した際にEXTI0_IRQHandler関数が呼び出されます。

この関数は、割り込みが発生したかをチェックし、割り込みが発生していたらメッセージを表示し、割り込みの待機状態をクリアします。

まとめ

C言語での割り込み処理は、プログラムの挙動を制御する強力な手段です。

本記事では、割り込み処理の基本的な概念とC言語での具体的な実装方法を7つのステップで解説しました。

しかし、割り込み処理には注意点も多く、適切にハンドリングしなければなりません。

また、様々なカスタマイズが可能であるため、具体的な要件に応じて割り込み処理を設計することが重要です。

割り込み処理をマスターすることで、リアルタイム処理やマルチタスク処理など、より高度なプログラミングが可能になります。

本記事が、あなたの割り込み処理の学習に役立つことを願っています。