組み込みシステムにおけるC言語のI/O割り込み入門：仕組みと実装パターン

組み込みシステムの開発では、外部からの入力（スイッチ、センサー、通信など）に即座に反応する必要があります。こうしたイベントに効率よく対応する仕組みとして、I/O割り込み（Input/Output Interrupt）が活用されます。

本記事では、C言語でのI/O割り込みの基礎、割り込みハンドラの実装方法、代表的なマイコンでの使用例を通して、組み込み開発における割り込み制御をわかりやすく解説します。

1. 割り込みとは？

割り込みの基本

割り込みとは、外部または内部のイベントが発生した際に、現在のプログラムの流れを一時的に中断し、割り込み処理（ISR）を実行する仕組みです。

種類	例
外部割り込み	GPIOピンの立ち上がり・立ち下がり、ボタン押下
内部割り込み	タイマ割り込み、UART受信完了、ADC変換完了など

2. ポーリングと割り込みの違い

特徴	ポーリング	割り込み
処理方法	常に状態をチェック	イベント発生時に自動で処理呼び出し
CPU負荷	高い（無駄なループが発生）	軽い（必要時のみ処理）
応答速度	遅延あり	高速応答
実装の複雑度	低め	高め（割り込み管理が必要）

3. C言語での割り込みハンドラ実装の基本構造

割り込み処理は、通常「割り込みベクタテーブル」に登録された関数によって処理されます。

例：AVRマイコン（ATmega328pなど）での外部割り込み

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

void init_interrupt() {
    EIMSK |= (1 << INT0);       // INT0割り込み許可
    EICRA |= (1 << ISC01);      // フォールトリガ（低→高）
    sei();                      // 全体の割り込みを有効にする
}

ISR(INT0_vect) {
    // 割り込み時の処理
    PORTB ^= (1 << PB0);  // LEDトグル
}

4. 割り込みの流れ（一般的なマイコン）

ハードウェアイベント（例：GPIO変化）
割り込みコントローラが対応する割り込みラインをアクティブに
CPUは現在の処理を一時保存し、ISR（割り込みハンドラ）へジャンプ
ISR終了後、元の処理へリターン

5. 実践例：タイマ割り込み + UART送信（STM32 HAL）

// HAL_TIM_PeriodElapsedCallback（タイマ割り込み）を使う
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM2) {
        HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"Hello\r\n", 7, 100);
    }
}

→ 定期的なタイマ割り込みにより、UARTでメッセージを送信

6. 注意点とベストプラクティス

注意点

ISR内での処理はできるだけ短く軽く
グローバル変数の使用にはvolatile指定を忘れずに
割り込みネストや優先順位の制御は、RTOSなしでは特に注意

ベストプラクティス

フラグ変数でイベントを記録 → メインループで処理
周辺モジュール（UART, SPI）との併用時は、DMA＋割り込み併用を検討
デバッガ対応のため、ISR内にbreakpointを多用しない（割り込みハングの原因）

7. よく使うマイコン別の割り込みAPI例

マイコン	使用API例	特徴
AVR（Arduino）	`ISR()` + `sei()` / `cli()`	C言語で直接制御しやすい
STM32 (HAL)	`HAL_XXX_IRQHandler()`	CMSIS＋HAL抽象化レイヤー
Renesas RX	`__interrupt` + vector定義	コンパイラ依存強め
ESP32（ESP-IDF）	`gpio_install_isr_service()`	FreeRTOSベースで複雑

8. まとめ

割り込みは、組み込みシステムにおけるリアルタイム処理の要
C言語での割り込み制御はマイコンごとに違いがあるが、基本概念は共通
ISRは軽量・短時間・副作用最小限で設計する
複雑な処理や同期が必要な場合は、RTOS導入も視野に

参考リンク

参考書籍

リンク

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