JP5867630B2 - マルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラム - Google Patents

マルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラム Download PDF

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本発明は、スレッドの割込を制御するマルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムに関する。
従来からマルチコアプロセッサシステムが開示されている。たとえば、スレーブCPU(Central Processing Unit)ではOS(Operating System)のカーネルを動作させずに、マスタCPUからの起動要求に対し、スレーブライブラリをスレッド起動するマルチコアプロセッサシステムがある(たとえば、下記特許文献1〜4を参照。)。この場合、スレーブCPUではカーネルは動作させず、必要最低限のスレッド実行手続きとマスタCPUからの割り込み制御機能のみを有することで、OSのカーネルによるオーバーヘッドを最小限にする。
たとえば、マスタCPUで実行されているライブラリスレッドがスレーブCPUに対しスレーブライブラリスレッドの呼び出しがあった場合、マスタCPUおよびスレーブCPUで並列実行が実現できる。
特開2005−25726号公報 特開平6−243102号公報 特開平6−149752号公報 特開2006−185348号公報
しかしながら、上述した従来技術では、スレーブCPUは、マスタCPUから呼び出しがあればスレッドを実行するが、呼び出しがない場合、休止状態が継続することとなる。マスタCPUとスレーブCPUは常時並列実行する場合は少なく、通常は、スレーブCPUはマスタCPUからの呼び出しがあるまで休止状態となる。
このように、動作させるソフトウェアの並列実行可能な比率により、システムの利用効率が決定する(アムダールの法則)が、プロセッサ数が増えるに従い、あるいはソフトウェアのもつ並列実行可能な比率が下がるに従い、極端に利用効率が悪化して性能が劣化するという問題があった。
一方、マルチプロセッサの各CPUにOSを走行させると、各CPUでアプリケーションが実行されるが、同時に実行されるアプリケーションに対し排他制御などを施す必要が生じる。このように、OSのカーネルによりきめこまかい制御が可能となるが、その管理機構によるオーバーヘッドが発生するという問題があった。特に、携帯端末のような組み込みシステムにおいては、管理機構によるオーバーヘッドが無視できない負荷になるという問題があった。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、低負荷でかつプロセッサの利用効率の向上を図ることができるマルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本マルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムは、複数のアプリケーションを実行するマスタコアと、前記複数のアプリケーションに対応するスレッドが割り当てられるスレーブコアを有するマルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムであって、前記マスタコアは、前記複数のアプリケーションのうちの一のアプリケーションにおいて発生したイベントに対応する割込信号を送信し、前記スレーブコアへ送信した前記割込信号に対応するイベントが、前記スレーブコアで実行中のスレッドに対する排他処理または同期処理の開始イベントである場合に、前記実行中のスレッドを前記スレーブコアから退避し、前記複数のアプリケーションの実行待ちスレッド群のうちの一のスレッドを前記スレーブコアの実行対象スレッドに割り当てることを要件とする。
本マルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムによれば、低負荷でかつプロセッサの利用効率の向上を図ることができるという効果を奏する。
本実施の形態にかかるマルチコアプロセッサシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。 本実施の形態にかかるマルチコアプロセッサシステムでの実行処理手順を示すフローチャートである。 割込制御の具体例1を示すシーケンス図である。 割込制御の具体例2を示すシーケンス図である。 割込制御の具体例3を示すシーケンス図である。 割込制御の具体例4を示すシーケンス図である。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるマルチコアプロセッサシステム、マルチコアプロセッサシステムの制御方法、およびマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムの実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態のマルチコアプロセッサシステムにおいて、マルチコアプロセッサとは、コアが複数搭載されたプロセッサである。コアが複数搭載されていれば、複数のコアが搭載された単一のプロセッサでもよく、シングルコアのプロセッサが並列されているプロセッサ群でもよい。なお、本実施の形態では、説明を単純化するため、シングルコアのプロセッサが並列されているプロセッサ群を例に挙げて説明する。
(マルチコアプロセッサシステムのハードウェア構成)
図1は、本実施の形態にかかるマルチコアプロセッサシステムのハードウェア構成を示すブロック図である。図1において、マルチコアプロセッサシステム100は、マスタCPU101と一または複数のスレーブCPU102(図1では1個)とメモリ103とがバス104を介して接続されて構成されている。マスタCPU101およびスレーブCPU102にはキャッシュメモリが内蔵されている。
マスタCPU101は、メモリ管理やスレーブCPU102を制御するOS110が走行する。OS110はマスタCPU101でのみ走行する。また、マスタCPU101では、OS110に対応する複数のアプリケーションが、OS110のスケジューリングによりタイムスライスで動作する。アプリケーションAにはその動作中に起動するスレッドBが含まれており、アプリケーションXにはその動作中に起動するスレッドYが含まれる。
スレーブCPU102は、割込プログラム120を実行する。また、マスタCPU101で実行されているアプリケーションのスレッドも実行される。スレーブCPU102では、OS110が走行しないため、1個だけで独立動作することとなる。
メモリ103は、OS110やアプリケーション、その他各種情報を記憶したり、マスタCPU101およびスレーブCPU102のワークエリアとして使用される。メモリ103は、具体的には、たとえば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置である。
図1では、マスタCPU101ではOS110上で動作するアプリケーションA,Xがタイムスライス動作しており、スレーブCPU102ではアプリケーションAのスレッドBが独立動作している。なお、アプリケーションXのスレッドYはマスタCPU101のスレッドキューで待機している。
本実施の形態では、排他または同期のイベントが発生した場合、スレーブCPU102を効率よく運用する。ここで、同期の例について説明する。たとえば、アプリケーションAに、ファイル読み込みを行ってメモリ103上に展開する機能があり、同時実行中のスレッドBはメモリ103上に展開されたファイルのデータを利用するものとする。このとき、スレッドBはアプリケーションAによるファイル読み出しとメモリ展開が完了するまで待機することになる。すなわちデータが展開されるメモリ領域は、ファイル読み出しと同時にアプリケーションAにより排他監視下におかれ、一時的にスレーブCPU102からスレッドBが開放される。このあと、メモリ展開後にスレッドBとデータを共用(同期)することになる。
また、排他の例について説明する。たとえば、アプリケーションAがブラウザ、スレッドBがブラウザ内で動作する動画再生プログラムとする。また、アプリケーションXがメーラ、スレッドYがメールの問合わせプログラムとする。
マスタCPU101では、アプリケーションA(ブラウザ)とアプリケーションX(メーラ)が時分割で動作しているものとする。スレッドB(動画再生プログラム)が動画配信サーバからの動画の再生中に、スレッドY(メールの問合わせプログラム)の起動タイミングがきた場合、OS110は、スレーブCPU102にスレッドY(メールの問合わせプログラム)を実行させるため、スレッドB(動画再生プログラム)を排他制御する。これにより、スレーブCPU102からスレッドB(動画再生プログラム)が開放されて、スレーブCPU102においてスレッドY(メールの問合わせプログラム)が実行されることとなる。
(マルチコアプロセッサシステム100での割込処理手順)
図2は、本実施の形態にかかるマルチコアプロセッサシステム100での実行処理手順を示すフローチャートである。図2において、マスタCPU101の処理手順は、OS110の管理処理手順を示しており、スレーブCPU102の処理手順は、マスタCPU101からのスレッドの割込制御処理手順を示している。
まず、マスタCPU101でのOS110の管理処理手順について説明する。OS110は、マスタプロセスを並列起動する(ステップS201)。具体的には、たとえば、マスタプロセスであるアプリケーションA,Xをタイムスライス動作させる。
また、起動されたマスタプロセスが実行されると、マスタCPU101は、OS110により、マスタプロセスの実行状況に応じてマスタプロセスのスレッドをスレッドキュー200に設定する(ステップS202)。具体的には、たとえば、スレッドB,Yを設定する。スレッドキュー200のステータスは、たとえば、メモリ103に書き込まれており、スレーブCPU102から参照可能となっている。
そして、マスタCPU101は、OS110により、イベントの発生を検出する(ステップS203)。ここで、イベントとは、スレッドの起動や停止、割込、排他、同期、シグナル・メッセージなどがある。イベントは、OS110上で実行されているアプリケーションやスレーブCPU102で実行されているスレッドにより発生する。
OS110がイベントの発生を検出すると、そのイベント種別を判別する(ステップS204)。イベントが排他または同期に関するイベントである場合(ステップS204:排他・同期)、マスタCPU101は、OS110により、割込信号の上位ビットに排他または同期を示す識別子を印加して(ステップS205)、ステップS206に移行する。
一方、ステップS204において、イベント種別が排他・同期以外のイベントである場合(ステップS204:その他)、ステップS206に移行する。ステップS206では、マスタCPU101は、OS110により、ステップS204で判別されたイベントに応じた割込信号をスレーブCPU102に通知する(ステップS206)。このように、マスタCPU101は、OS110により、マスタプロセスにおいてイベントが発生すると割込信号をスレーブCPU102に通知するとともに、スレッドキュー200に必要なスレッドを投入して、実行待ちスレッドにする。
また、スレーブCPU102は、割込プログラム120により、スレッドの起動を待ち受け(ステップS210)、スレッドが起動されると、スレーブCPU102は、割込プログラム120により、スレッドを実行する(ステップS211)。このスレッド動作は割込信号を受信するまでおこなわれる。また、割込信号の受信前にスレッドが終了した場合は、ステップS216に移行する。
また、スレーブCPU102がマスタCPU101から割込信号の通知を受けると、スレーブCPU102は、割込プログラム120により、割込受信処理を実行する(ステップS212)。そして、スレーブCPU102は、割込プログラム120により、割込信号で指定されたイベントの種別を判断する(ステップS213)。イベントが、排他または同期に関するイベント以外の他のイベントである場合(ステップS213:その他)、スレーブCPU102は、割込プログラム120により、他のイベントに応じたイベント処理を実行して(ステップS214)、ステップS211に戻る。
一方、イベント種別が排他または同期の開始イベントである場合(ステップS213:排他開始・同期開始)、スレーブCPU102は、割込プログラム120により、現在実行中のスレッドを退避させる(ステップS215)。具体的には、たとえば、現在実行中のスレッドが利用していたスレーブCPU102のキャッシュメモリ上のデータをメモリ103にフラッシュし、メモリ103上のコンテキスト領域を開放することなく、これまで動作していたプログラムカウンタの位置を保存する。これにより、スレーブCPU102が実行していたスレッドから開放される。
スレッドが退避されると、割込プログラム120は、割込プログラム120により、OS110のスレッドキュー200のステータスをチェックする(ステップS216)。スレッドキュー200が空集合でない場合(ステップS216:キュー≠Φ)、割込プログラム120は、割込プログラム120により、スレッドキュー200の先頭のスレッド(退避させられたスレッドではない)を実行対象スレッドに設定して当該スレッドを実行する(ステップS217)。そして、ステップS211に戻る。
一方、スレッドキュー200のステータスが空集合である場合(ステップS216:キュー=Φ)、割込プログラム120は、割込プログラム120により、スレーブCPU102を低電力モードに設定して(ステップS218)、ステップS210のスレッド起動待ち受けに移行する。
また、ステップS213において、イベント種別が、排他解除(終了)または同期終了である場合(ステップS213:排他解除・同期終了)、割込プログラム120は、割込プログラム120により、退避スレッドを復元する(ステップS219)。具体的には、退避スレッドについては、スレーブCPU102を開放してもメモリ103のコンテキスト領域は開放していないため、退避スレッドが用いていたメモリ領域は保護されている。
単純に、スレーブCPU102のレジスタ(メモリ103でもよい)に保存していた退避スレッドのプログラムカウンタを復元するのみで、退避スレッドを再開(復元)することができる。そして、ステップS211に戻る。このように、以上の操作により、従来では排他または同期待ちのため休止していたスレーブCPU102をより効率的に運用することが可能となる。
(割込制御の具体例)
つぎに、図3〜図6を用いて割込制御の具体例を説明する。
図3は、割込制御の具体例1を示すシーケンス図である。図3では、マスタCPU101においてアプリケーションA,XがOS110上でタイムスライス動作しており(実際には、OS110、A、Xがタイムスライス動作)、スレーブCPU102にはスレッドBが実行されているものとする。また、OS110のスレッドキュー200には実行待ちスレッドとしてスレッドYが待機しているものとする。
アプリケーションAにおいて排他開始イベントが検出されると、アプリケーションAからスレッドBに対し割込信号(排他開始)を通知する。スレーブCPU102では、排他開始イベントの通知を受け付けると、スレッドBを退避させることでスレーブCPU102が開放される。スレッドキュー200にはスレッドYがあるため、スレーブCPU102にはスレッドYが割り当てられる。これにより、スレーブCPU102では、スレッドYが実行される。このあと、スレッドYが終了すると、スレッドキュー200は空であるため低電力モードに移行する。
このあと、アプリケーションAにおいて、排他終了イベントが検出されると、アプリケーションAからスレーブCPU102に対し割込信号(排他終了)を通知する。スレーブCPU102では、排他終了イベントの通知を受け付けると、スレッドBをスレーブCPU102に復元する。これにより、スレッドBを退避させた位置から再実行することができる。
また、同期についても同様に、アプリケーションAにおいて同期開始イベントが検出されると、アプリケーションAからスレッドBに対しコヒーレント処理およびスレーブCPU102への通知をおこなう。このとき、スレーブCPU102では一時的にスレッドBが退避させられるが、すぐに復元する。そして、同期開始のタイミングになると、アプリケーションAおよびスレッドBが同期して実行される。
図4は、割込制御の具体例2を示すシーケンス図である。図4では、マスタCPU101においてアプリケーションA,XがOS110上でタイムスライス動作しており、スレーブCPU102にはスレッドBが実行されているものとする。そして、スレッドBがその親となるマスタプロセスではないアプリケーションXに排他をかける例である。
スレッドBがアプリケーションXに対する排他開始イベントを検出すると、OS110に通知する。OS110では、アプリケーションXの停止イベントを検出することとなり、それ以降は、OS110とアプリケーションAとでタイムスライス動作することとなる。このあと、スレッドBがアプリケ−ションXに対する排他終了イベントを検出すると、OS110に通知する。マスタCPU101では、その後、アプリケーションXが復元され、OS110、アプリケーションA,Xがタイムスライス動作することとなる。このように、スレーブCPU102で排他イベントが検出される場合でも、マルチコアプロセッサシステム100は問題なく動作することとなる。
図5は、割込制御の具体例3を示すシーケンス図である。図5では、マスタCPU101においてアプリケーションA,XがOS110上でタイムスライス動作しており、スレーブCPU102にはスレッドBが実行されているものとする。そして、スレッドBがその親となるマスタプロセスのアプリケーションAに排他をかける例である。
スレッドBがアプリケーションAに対する排他開始イベントを検出すると、OS110に通知する。OS110では、アプリケーションAの停止イベントを検出することとなり、それ以降は、OS110とアプリケーションXとでタイムスライス動作することとなる。このあと、スレッドBがアプリケ−ションAに対する排他終了イベントを検出すると、OS110に通知する。マスタCPU101では、その後、アプリケーションAが復元され、OS110、アプリケーションA,Xがタイムスライス動作することとなる。このように、スレーブCPU102で排他イベントが検出される場合でも、マルチコアプロセッサシステム100は問題なく動作することとなる。
図6は、割込制御の具体例4を示すシーケンス図である。図6は、図5において、OS110のスレッドキュー200にスレッドYが設定されている例である。スレッドBがアプリケーションAに対する排他開始イベントを検出すると、OS110に通知する。OS110では、アプリケーションAの停止イベントを検出することとなり、アプリケーションAが停止させられる。
図6では、このあと、OS110とアプリケーションXのタイムスライス動作となるが、アプリケーションXにおいてスレッドYを起動させたい場合、スレーブCPU102ではスレッドBが実行中であるため、スレッドYを実行できない。これにより、アプリケーションXの実行も中断することとなり、マスタCPU101ではOS110のみが実行されることとなる。
このあと、排他終了イベントがスレーブCPU102で検出されると、スレッドBからOS110に通知される。これにより、スレッドBが終了するとともに、マスタCPU101では、OS110、アプリケーションX,Aがタイムスライス動作することとなる。
このように、本実施の形態にかかるマルチコアプロセッサシステム100では、マスタCPU101とスレーブCPU102のうちどのCPUで排他や同期のイベントが発生しても、効率的な運用を図ることができる。
以上説明したように、本実施の形態にかかるマルチコアプロセッサシステム100、割込プログラム120、および割込方法によれば、OS110をマスタCPU101でのみ走行させ、スレーブCPU102には割込プログラム120を実行させているにすぎないため、低負荷での運用を図ることができる。
また、マスタCPU101からスレーブCPU102のスレッドに対し排他または同期をかけることで、実行中のスレッドを退避させるとともに、退避後の空き状態では実行待ちスレッドを割り当てて実行させる。これにより、スレーブCPU102では、休止状態の期間が大幅に短縮され効率的な運用を図ることができる。また、実行待ちスレッドがない場合には、低電力モードに移行するため、低消費電力化を図ることができる。
100 マルチコアプロセッサシステム
101 マスタCPU
102 スレーブCPU
103 メモリ
104 バス
120 割込プログラム
A,X アプリケーション
B,Y スレッド

Claims (9)

  1. 複数のアプリケーションを実行するマスタコアと、
    前記複数のアプリケーションに対応するスレッドが割り当てられるスレーブコアを有するマルチコアプロセッサシステムであって、
    前記マスタコアは、前記複数のアプリケーションのうちの一のアプリケーションにおいて発生したイベントに対応する割込信号を送信し、
    前記スレーブコアは、前記割込信号に対応するイベントが、前記スレーブコアで実行中のスレッドに対する排他処理または同期処理の開始イベントである場合に、前記実行中のスレッドを前記スレーブコアから退避し、前記複数のアプリケーションの実行待ちスレッド群のうちの一のスレッドを前記スレーブコアの実行対象スレッドに割り当てる
    マルチコアプロセッサシステム。
  2. 前記スレーブコアは、前記実行待ちスレッド群がない場合に、前記スレーブコアを現在の電力よりも低電力の状態に設定する、請求項1に記載のマルチコアプロセッサシステム。
  3. 前記スレーブコアは、前記割込信号に対応するイベントが前記スレーブコアから退避したスレッドに対する排他または同期の終了イベントである場合に、前記退避したスレッドを前記スレーブコアの実行対象に割り当てる、請求項1に記載のマルチコアプロセッサシステム。
  4. 複数のアプリケーションを実行するマスタコアと、前記複数のアプリケーションに対応するスレッドが割り当てられるスレーブコアを有するマルチコアプロセッサシステムの制御方法であって
    前記マスタコアは、前記複数のアプリケーションのうちの一のアプリケーションにおいて発生したイベントに対応する割込信号を送信し、
    前記スレーブコアは、前記割込信号に対応するイベントが、前記スレーブコアで実行中のスレッドに対する排他処理または同期処理の開始イベントである場合に、前記実行中のスレッドを前記スレーブコアから退避し、
    前記スレーブコアは、前記複数のアプリケーションの実行待ちスレッド群のうちの一のスレッドを前記スレーブコアの実行対象スレッドに割り当てる
    処理を実行する、マルチコアプロセッサシステムの制御方法。
  5. 前記スレーブコアはさらに、前記実行待ちスレッド群がない場合に、前記スレーブコアを現在の電力よりも低電力の状態に設定する処理を実行する、請求項4に記載のマルチコアプロセッサシステムの制御方法。
  6. 前記スレーブコアはさらに、前記割込信号に対応するイベントが前記スレーブコアから退避したスレッドに対する排他または同期の終了イベントである場合に、前記退避したスレッドを前記スレーブコアの実行対象に割り当てる処理を実行する、請求項4に記載のマルチコアプロセッサシステムの制御方法。
  7. 複数のアプリケーションを実行するマスタコアと、前記複数のアプリケーションに対応するスレッドが割り当てられるスレーブコアを有するマルチコアプロセッサシステムの制御プログラムであって
    前記マスタコアに、前記複数のアプリケーションのうちの一のアプリケーションにおいて発生したイベントに対応する割込信号を送信する
    処理を実行させ、
    前記スレーブコアに、前記割込信号に対応するイベントが、前記スレーブコアで実行中のスレッドに対する排他処理または同期処理の開始イベントである場合に、前記実行中のスレッドを前記スレーブコアから退避し、
    前記複数のアプリケーションの実行待ちスレッド群のうちの一のスレッドを前記スレーブコアの実行対象スレッドに割り当てる
    処理を実行させる、マルチコアプロセッサシステムの制御プログラム。
  8. 前記スレーブコアにさらに、前記実行待ちスレッド群がない場合に、前記スレーブコアを現在の電力よりも低電力の状態に設定する処理を実行させる、請求項7に記載のマルチコアプロセッサシステムの制御プログラム。
  9. 前記スレーブコアにさらに、前記割込信号に対応するイベントが前記スレーブコアから退避したスレッドに対する排他または同期の終了イベントである場合に、前記退避したスレッドを前記スレーブコアの実行対象に割り当てる処理を実行させる、請求項7に記載のマルチコアプロセッサシステムの制御プログラム。
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