【学習メモ#7th】12ステップで作る組込みOS自作入門

12ステップで作る組込みOS自作入門
7thステップ

@sandai

【参考書籍】
12ステップで作る組込みOS自作入門
【内容】
1ステップずつ、実際に動かしながらプログラムを発展さ
せていく方式で無理なく学べる。OSやハードウェアに詳
しくない方にも理解できるよう
に十分な説明を提供

坂井弘亮(著)
カットシステム(2010/5)

【税込価格】
4,410円

【サポートページ】
http://kozos.jp/books/makeos/

もくじ
1.割込みの概要
2.外部割込み、内部割込み
3.外部割込みの受け付け
4.組込みベクタと割込みハンドラ
5.割込み発生時のレジスタの扱い
6.H8/3069Fの割込み処理
7.ブートローダに割込みハンドラを実装
8.プログラムの実行
9.まとめ

割込み
● CPUは割込みを受け付けると、現在処理中のプ
ログラムの実行を中断し、特定の処理に実行を
移す
● この割込み発生時に実行される処理を割込みハ
ンドラと呼ぶ
– コールバックとも言われる
– 割込みを受け付けることを割込みのハンドリングな
どとも言う
● 割込みハンドラの処理が終わると中断していた
処理に実行を移す

割込み処理の要点
● 割込み発生時に実行させたい処理を割込みハン
ドラとしてあらかじめ登録しておく
● 割込みが発生した際には、現在実行中の処理を
中断し登録しておいた割込みハンドラが実行さ
れる
● 割込みハンドラの実行後に中断してた本来の処
理に戻る

2.外部割込み、内部割込み

割込みの種類
● 割込みの種類は大きく分けて3つある
– 外部割込み(ハードウェア割込み)
– 例外
– 内部割込み(ソフトウェア割込み)
● これらの分け方はCPUによって違う
– 例外と内部割込みを同じ「内部割り込み」として表
現するケースもある

割込み要因の例
● 割込みを起こす原因となる現象を割込み要因と
言う。割込み要因には様々な種類がある
● 割込み要因の例
– タイマ・コントローラに設定した時刻が満了した...タイマ割込み
– シリアルから文字を受信した...シリアル受信割込み
– リセット・ボタンがおされた...リセット割込み
– ゼロ除算が行われた...ゼロ除算例外
– 不正なアドレスにアクセスした...不正アドレス・アクセス例外
– システム・コール命令が実行された...システム・コール割込み
– トラップ命令が実行された...トラップ割込み

外部割込み(ハードウェア割込み)
● 周辺I/Oに割込み要因が発生して、割込み線が
アサートされることで発生する割込み
– アサートされたら割込みの処理に入る
● アサートとは割込み入力ピンに、各種コント
ローラから割込みの出力信号が送られたことを
検出すること
– 「キックされる」とも言う

CPUが出力信号を受ける仕組み
● CPUには割込み受け付けのピン(割込み入力ピ
ン)がある
● このピンは各種コントローラが持つ出力線とい
うピンから送られてくる割込み信号を受け付け
るもの
– IRQ(Interrupt ReQuest:割り込み要求)という名前
がついている事が多い
● コントローラが信号を出力する方法ピンに電圧
をかけるかどうかで行う

正論理と負論理
● 割込み出力線のピンの電圧がゼロの状態をLow
レベル、電圧がかかった状態をHighレベルと言
う
● 割込み出力線がLowからHighに変化したとき、
コントローラが割込み出力線に信号を出力した
ことになる
● また、普段はHighで割込み発生時にLowに変化
する回路もある
● 前者を正論理、後者を負論理と呼ぶ
– 実際の割込み線は負論理が多い
– 負論理はIRQやIRQ#と表現される

ポーリング
● シリアル・ドライバのserial.cによってSCIの
SSRレジスタのRDRFビットをwhileループで見張
り文字の受信を検知している
– ビジーループで受信データが来るまで待っている
● この場合、たとえば受信待ちしながら他の処理
も同時に行う場合、別の処理を行いながら定期
的にSSRレジスタのRDRFビットの状態をチェッ
クする処理が必要となる
● このように定期的に状態をチェックする処理を
ポーリングと言う

シリアル受信割込み
● ポーリングは良い手段ではない
– 文字を受信した瞬間にチェックして処理するわけで
はないので、反応が遅いから
● ポーリングの改善策として割込みを利用する
● シリアルからの文字受信時の処理を割込みハン
ドラに登録しておけば、別の処理を行いながら
文字を受信したときにその処理を行うことがで
きる
● このような割込みをシリアル受信割込みと呼ぶ

シリアル送信割込み
● シリアル送信の場合、送信可能かどうかの判断
をSCIのSSRレジスタのTDREビットを見ている
– これもビジーループで行なっている
● これも割込みで処理できる。送信処理が完了し
たら割込みによって通知してもらい、割込みハ
ンドラの名かで次に送信すべき文字の送信処理
を行う形にすれば良い
● このような割込みをシリアル送信割込みと呼ぶ

割込みはコントローラで備えている
● シリアル接続における送受信の割込みはコント
ローラ側で発生し、CPUがそれを検知する
● 通信用コントローラの多くはこのような割込み
機能を備えている
– LANコントローラも同じ
● コントローラから割込みが発生したとき用に割
込みハンドラを登録しておけば、ポーリングの
ようにチェックする必要がない

CPU資源
● 割込みはCPU資源の有効活用という点でもメ
リットがある
● CPU資源とはCPUの処理時間のことで、CPUが実
行できる一定時間内の命令数は決まっている
– よって、CPUが実行できる命令数は有限の資源と言
える

内部割込み(ソフトウェア割込み)
● 内部割込みとはCPU内部での不正発生などに
よって起きる割込み
– 不正アドレス・アクセスやゼロ除算、アラインメン
ト違反など
● また、プログラム側でわざと発生させた割込み
もある
– システム・コール命令、トラップ命令など
● 実はシステム・コール割込みがトラップ割込みに含まれ
ており、トラップ割込みによってシステム・コールを実
現するCPUもある(H8はこれ)
● 不正アドレス・アクセスやゼロ除算など不正な
処理は「例外」と呼ぶ場合が多い

3.外部割り込みの受け付け

外部割込み入力ピン
● 外部割込みの受け付けにはCPUの入力ピンが必
要
● CPUによってはピンを複数持っている
● この場合コントローラごとの割込みにそれぞれ
割込みハンドラを登録することができる

割込み入力ピンが1本の場合
● CPUによっては割込み入力ピンが1つしかない
● その場合、各コントローラの割込み出力線をOR
論理で集約して接続させる

233頁図7.3 複数の割込みをOR論理でまとめるより

OR論理での割込みハンドラ
● OR論理でまとめた場合割込みハンドラは1つし
か登録できない
● CPUからはタイマ割込みかシリアル割込みか判
断できないので、割込みハンドラ内でコント
ローラのレジスタを参照して割込みが発生した
かどうか調べて処理を行う
– このような処理を「ハンドラ内部で割込み要因を調
べる」と言う
● 割込みハンドラのプログラミングは、本来なら
回路図を読んで各コントローラの割込み出力線
がどのように接続されているか確認してから行
う必要がある

コントローラの数が多い場合
● 割込み入力よりもコントローラが多い場合、ひ
とつの割込み入力にまとめる
● この場合割込みコントローラというICを利用す
る

235頁図7.4 割込みコントローラを利用するより

割込みコントローラ
● 複数の割込みをOR論理で結合し、さらに、各割
込みの有効/無効化(割込みをCPUに通知するか
しないか)や割込み優先度の制御が行える
● 割込みコントローラの制御は保持している制御
用のレジスタによって行う
● 割込みコントローラを利用するメリット
– 割込みの有効/無効が制御できる(割込みマスク)
– 割込みコントローラのレジスタを見ることで、どの
コントローラから割込みが発生したか分かる
● 割込みコントローラを利用することで、統一的
な制御が可能となる
– 各コントローラのレジスタの確認を割込みコント
ローラだけで行えるから

4.組込みベクタと割込みハンドラ

組込み発生時の基本動作
● CPUにおける組込み発生時の動作は2つに大別で
きる
– ①特定のアドレスにジャンプ
– ②特定のアドレスからジャンプ先のアドレスを読み
込んで、そこにジャンプ
● ジャンプ先にある割込み処理を割込みハンドラ
と呼ぶ
– ISR(Interrupt Service Routine:割込みサービス
ルーチン)と呼ばれることもある

①特定のアドレスにジャンプ
● 割込み発生時に特定のアドレスに配置しておい
た割込みハンドラが勝手に実行される、といっ
たもの
● 特定のアドレスには決まった数の命令しか記述
できないので自由なハンドラを置くことができ
ない？っぽい
● ので、だいたい②の方法が採用される

②特定のアドレスからジャンプ先の
アドレスを読み込んで...
● 適当な場所に割込みハンドラを配置して、その
ハンドラを配置したアドレスを特定のアドレス
に書いておくというもの
● いくつかある割込みハンドラのアドレス位置を
配列でまとめたものを割込みベクタと呼ぶ
– この方法をベクタ割込み方式と言う
– 割込みベクタはベクタ・テーブルなどとも言う
● H8はベクタ割込み方式
– ハンドラの登録方法はvector.sと、ld.scrを読めば
分かる
– つまり、割り込みベクタに割込みハンドラのアドレ
スを書き込むってだけ

5.割込み発生時のレジスタの扱い

割込み復帰命令
● 多くのCPUには割込み復帰命令がある。これは
割込み発生時に退避しておいた情報の復帰を行
うためのもの
– 割込みは現在の処理を中断して割込みハンドラを実
行するわけだけど、割込みが発生する直前のデータ
(レジスタの値)を中断していたときから始められる
ように退避させている
– というわけで、割込み復帰命令は割込みハンドラの
最後に実行される
● ここで問題になることは
– どこに退避するのか？
– 退避が必要な情報は何か？

どこに退避するのか？
● CPU次第だが、大きく分けると2通り
– スタック
– 退避先の専用のレジスタ
● レジスタの退避はx86系だとアセンブリの命令
で簡単に行えたはず
– 具体的にどこに退避していたかは覚えてないけど、
あまり気にすることじゃないと思う

何を退避するか？
● 多くのCPUでは以下の2つの値を退避させる
– プログラム・カウンタ(PC)
– モード・レジスタ(コントロールレジスタとも呼ぶ)
● どちらも割り込み発生時にCPUが自動的に退避
して保存している
– どこなのか具体的な場所は分からないが

プログラム・カウンタ(PC)の退避
● 割込みハンドラへのジャンプとはPCの強制的な
書き換え
– 割込みハンドラにジャンプした時点でPCの値は割込
みハンドラのアドレスになっている
● 割込みハンドラにジャンプする前にPCを退避さ
せておくことで、割込みハンドラの処理が終了
したときに元のアドレス位置の処理に戻れるよ
うにしている

モード・レジスタの退避
● モード・レジスタは汎用レジスタとは違いCPU
の動作モードを保存する役割の決まったレジス
タ
● 動作モードには次のようなものがある
– 割込み禁止
– 特権モードとユーザモード
– メモリ保護の有効/無効の切替え
– 仮想メモリによるアドレス変換の有効/無効の切替
え

割込み発生時のモード・レジスタ
● 割込み発生時はモード・レジスタの設定が自動
的に割込み無効になり、それから割込みハンド
ラにジャンプする
– 割込みハンドラの先頭で別の割込みを受け付けたと
きにPCの保存先の値が書き換わって元の処理に戻れ
なくなるから
– 割込みのネスト、多重割込みなどと呼ばれる
● CPUに特権モード割込みモードがあるなら割込
みハンドラは特権モードで動作する必要がある
● 割込み発生時にモード・レジスタを退避させて
おくことで、割込みハンドラが終了したときに
元の状態に戻れるようにしている

アトミック
● PCとモード・レジスタの保存処理はアトミック
である必要がある
– アトミックは「分割してはいけない」という意味
● 分割して処理したときに処理の不整合が発生し
てしまうような場合は、2つの処理を1命令で行
えるような命令をCPUは持っている
– このような命令をアトミック命令と呼ぶ
● 割込み発生時にPCとモード・レジスタの値を退
避させ、割込みハンドラの末尾にある割込み復
帰命令でその2つの値を同時に復旧させる
– 退避も復旧の処理もアトミックでなければならない

汎用レジスタの退避
● PCとモード・レジスタ以外に、プログラム中で
利用しているであろう汎用レジスタやフラグ・
レジスタなどの値も割り込み発生時に保存して
おく必要がある
● これらはCPUの回路が複雑になるので自動で退
避されることはない
● つまり、何もしないままだと割込み復帰命令だ
けでは元の処理に戻れない
● そこで割込みハンドラの最初と最後で保存と復
旧の処理を行う必要がある
– 最初を割込みハンドラの入口、最後を割込みハンド
ラの出口と呼ぶ

割込みハンドラの入口と出口
● 割込みハンドラの入口で行う処理
– 汎用レジスタの値をどこかに保存
– その他プログラム中で利用しているレジスタ(フラ
グ・レジスタなど)も保存
● 割込みハンドラの出口で行う処理
– 汎用レジスタの値を保存先から復旧
– その他プログラム中で利用しているレジスタの値も
復旧
● 割込みハンドラをC言語で記述した場合はこの
ような処理が必須となる
– C言語のプログラムをコンパイラがアセンブラに変
換する際に汎用レジスタを利用するから

保存・復旧するレジスタ
● 全ての汎用レジスタを保存する必要はなく、割
込みハンドラ内部で利用する(値が書き換わる)
レジスタのみが保存対象となる
– が、まあ、x86系は確か1つの命令で全て退避できる
ようになっていたのでそれでいいんじゃないかな
● 処理の内容を把握しておけば退避するレジスタ
の数を最小限に抑えることができるが、よくわ
からないうちは割込みハンドラでは全ての汎用
レジスタを保存・復旧するよう実装すれば問題
ない

割込みのクリア
● コントローラは割込み発生時にアサートし続け
る
– コントローラは割込み出力をフリップ・フロップと
して実装し、状態を維持している
● アサートされたままだと、割込み復帰命令直後
に割込み禁止が解除されることで再度割込みが
かかってしまう(割込みが無限ループで発生)
– これを割込み要因のクリアし忘れと呼ぶ
● そういった状態を回避するため、コントローラ
の割込み関連レジスタを操作して割込みが発生
したことを示すフラグを落とす必要がある
– これを割込みのクリアと呼ぶ

割込み処理のまとめ
● CPUがPCとモード・レジスタは自動で保存・復
旧がなされる
● 汎用レジスタやフラグレジスタは自力で保存・
復旧する必要がある
– 割込みハンドラの処理を軽くしたいなら退避させる
レジスタを選ぶ必要があるが、よくわからないうち
は全て退避させれば問題ない
● 割込みによって受信したデータなど参照した後
は割込みのクリアを行う
– クリアしないと割込みの無限ループが起きるため
– なぜ無限ループが起きるかについては243pを読めば
わかるんで、ここでは記述しない
● 以上が一般的なCPUにおける割込みの話

H8/3069Fの割り込みベクタ
● 主要な割り込みベクタ

244頁表7.1 H8/2069Fの割り込みベクタ(主要なもの) より

H8/3069Fの割り込みベクタの仕組み
● H8はベクタ割込み方式なので、割込みが発生し
たら割り込みベクタを参照し、設定された割込
みハンドラにジャンプする
● 割り込みベクタの位置は0x000000~0x0000ffの
256バイトで、1つの割込みベクタは4バイト
– 64個登録できるってことかな
● 他の割り込みベクタについてはマニュアル参照

リセット(0x000000)
● リセット・ベクタのことで、電源ON時に実行す
る割込み
– 具体的にはCPUのリセット割込み(RES)がLowから
Highになったときにリセット割込みが発生
● リセット・ボタンを押すとLowレベルになり、
話すとHighレベルになる
● ここらへんの回路図の仕組みは245pと、マニュ
アル参照

トラップ命令(0x000020~0x00002c)
● ソフトウェア割込みの一種で、割込みを明示的
に発生させるもの
● H8だとオペラントの値によって4種類の割込み
が発生する
– なお、H8にはシステム・コールの割込みがないの
で、トラップ命令で実装する

外部割込み(0x000030~0x000044)
● 外部割り込みの入力ピン(IRQ0~IRQ5)がアサー
トされたときに発生する割込み
● 周辺I/Oの割込みはここで検知する
● RXI0,RXI1,OXI2が受信完了、TXI0,TXI1,TXI2が
送信データエンプティと呼ばれ、それぞれ
SCI0,SCI1,SCI2のシリアルの受信/送信完了の
割込みにあたる
● H8ではシリアルコネクタに接続されているのは
SCI1なんで、本書ではRXI1とTXI1だけ利用して
いる

H8/3069Fのモード・レジスタ
● H8はモード・レジスタはコンディションコード
レジスタ(CCR)という1バイトのレジスタを持つ
● 一般的なCPUのモード・レジスタは様々なモー
ド設定が可能だが、H8は単純なCPUなのでCCRの
役割は「割込みの有効/無効」フラグしかもっ
ていない
– CCRで設定できるのは組込みマスクのみ
● CCRの他のビットはオーバーフロー・フラグ、
キャリ・フラグなどのフラグ情報
– 一般的にこれらの情報はフラグ・レジスタに集めら
れるものだが、H8では全てCCRにまとめられている

H8/3069Fのレジスタの退避
● H8のPCとCCRの退避先はスタック・ポインタで
あるER7の指すメモリ上に自動的に保存される
– というかER7の位置。ここにPCが入る
– CCRが1バイト、PCが3バイトで積まれる
● 詳しいスタックへの保存動作については247pと
H8/3069Fのマニュアルを参照

割り込みコントローラ
● H8/3069Fにも割り込みコントローラが内蔵され
ている、本書では特に利用しない
– 割り込みコントローラはこのスライドでも扱ったけ
ど、割込みの優先順位や有効/無効などの制御を各
コントローラ全てに対して統一的に制御できるやつ
● CPUでは割り込みコントローラを内蔵している
ものが多く存在する

H8の割り込み禁止と復帰命令
● 割込み禁止はCCRの最上位ビットを1にすること
で割込みが無効になる
– 割込み禁止、割込みがマスクされると呼ぶ
– 多重割込みしないようにできるってことだね
● 割込みの復帰命令はrteという命令を使う
– rteを実行するとスタックからPCとCCRを復旧される

H8の割り込み発生時の動作
● ①スタック(スタック・ポインタの指す先)上
に、PCとCCRの値を保存
● その後割⑧込み要因に応じて割込みベクタを参
照し、割込みハンドラにジャンプ(PCに割り込
みベクタの値を代入する)
● 割込みハンドラが実行
● 割込みハンドラ終了時に割込み復帰命令を呼ぶ
(PCとCCRが復旧され中断していた箇所から実行
が再開される)

7.ブートローダに割込みハンドラを
実装

これからの割込み処理
● 今まではビジーループを使ってコントローラの
レジスタを監視しながら処理していたけれど、
ここからはシリアル受信割込みを利用したもの
に変更していく
● それから割り込みベクタの設定を柔軟に行える
ように「ソフトウェア・割り込みベクタ」とい
うものを実装する

プログラムの追加
● ブートローダ
– intr.h,intr.c...割込み処理の入口と出口
– interrupt.h,interrupt.c...ソフトウェア・割込み
ベクタの処理
● OS
– intr.h
– interrupt.h,interrupt.c

プログラムの修正
● ブートローダ
– ld.scr...ソフトウェア・割り込みベクタを追加
– vector.c...ソフトウェア・割込みベクタを設定
– main.c...ソフトウェア・割り込みベクタの初期化
追加
– Makefile
● OS
– ld.scr...ソフトウェア・割込みベクタを追加
– serial.h,serial.c...組込み関連の関数追加
– main.c...シリアル受信割込みによる動作変更
– Makefile

割込みハンドラの問題
● 0x000000~0x0000ffが割り込みベクタの位置な
のでフラッシュROMに割込みハンドラのアドレ
スを配置することになる
● ブートローダの書き込み時に固定で決まってし
まうため、OS側から自由に操作できない
● H8はベクタ割込み方式なので、アドレスが固定
されOS側で用意した割込みハンドラの登録が面
倒
● さらに、仮に全て固定で割込みハンドラのアド
レス位置を割り当てるとなると、サイズも大き
くなってしまう

OSの割込みハンドラを扱う方法
● OSに設定したアドレスを見るようにするわけ
– ①汎用レジスタを退避させる処理する割込みハンド
ラをブートローダ側で用意して、組込みベクタには
そのハンドラのアドレスを設定
– ②RAMの先頭にOS側の割込みハンドラのアドレスを
書く
– ②ブートローダ側の割込みハンドラはRAMの先頭に
書かれているアドレスにジャンプ
● これでOS側で自由に割込みハンドラを設定可能
● 割込みの種類に応じて複数の割込みハンドラを
利用できるようにして、CPUが行う割込みベク
タの処理をソフトウェア的に行うようにした

ソフトウェア・割込みベクタ
● 本書では「RAMの先頭領域に設定する複数の割
込みハンドラアドレス」をソフトウェア・割込
みベクタと呼ぶ
– 本書定義の用語
● たいしてROM上の本来の割込みベクタは単に
「割り込みベクタ」、「CPUの割り込みベク
タ」と呼ぶ
● 今回はソフトウェア割込み(内部割り込み)は、
ソフトウェアエラー、システム・コール、シリ
アル割込みの3種類を定義

割込みハンドラの入口と出口
(intr.S)
● アセンブリで実装
– PCとモード・レジスタは自動で退避、復旧(rte命
令)が行われているので汎用レジスタだけ処理する
.global _intr_serintr
_intr_serintr:
mov.l er6, @-er7
mov.l er5, @-er7
mov.l er4, @-er7
mov.l er3, @-er7
mov.l er2, @-er7
mov.l er1, @-er7
mov.l er0, @-er7
mov.l er7, er1
mov.w #SOFTVEC_TYPE_SERINTR, r0
jsr @_interrupt
mov.l @er7+, er0
mov.l @er7+, er1
mov.l @er7+, er2
mov.l @er7+, er3
mov.l @er7+, er4
mov.l @er7+, er5
mov.l @er7+, er6
rte

interrupt.h
● 割込みハンドラの型の定義
– typedef void (*softvec_handler_t)(softvec_type_t
type, unsigned long sp);

● インラインアセンブラ
– #define INTR_ENABLE asm volatile ("andc.b #0x3f,
ccr")
– #define INTR_DISABLE asm volatile ("orc.b #0xc0,
ccr")

vector.c
● 割込みの種類別に自動でそれぞれのハンドラが
呼び出される
void (*vectors[])(void) = {
start, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
intr_syscall, intr_softerr, intr_softerr, intr_softerr,
NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
intr_serintr, intr_serintr, intr_serintr, intr_serintr,
};

OSのmain.c
● 割込みハンドラの登録とシリアル受信割込みの
有効化
● intrはmain.cで定義している割込みハンドラ
– echoの後に続く文字を返すだけのやつ

softvec_setintr(SOFTVEC_TYPE_SERINTR, intr);
serial_intr_recv_enable(SERIAL_DEFAULT_DEVICE);

プログラムの実行
/Users/sandai/12step/src/07/os% sudo cu -l /dev/tty.usbserial-FTG6PQ4H
Connected.
kzload (kozos boot loader) started.
kzload> load
~+lsx kozos
Sending kozos, 15 blocks: Give your local XMODEM receive command now.
Bytes Sent: 2048 BPS:293

Transfer complete

XMODEM receive succeeded!
kzload> run
starting from entry point: ffc020
kozos boot succeed!
> echo test
test

まとめ
● OSってのは割込みをきっかけに動作するもん
で、こういう処理を割り込みドリブン、割込み
駆動などと言う
– また、イベント・ドリブンやイベント駆動なども呼
ばれることもある
● とりあえず、割込みベクタの位置が決まってる
から、そこに割込みハンドラ置いて、そのハン
ドラからOSで用意したハンドラを実行すりゃい
いわって話でした
● 今回は出てこなかったけど、タイマ割り込みと
かないんかな

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