JP6438381B2 - 電子制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電子制御装置に関する。
自動車に搭載されている電子制御装置は、近年急速に高性能化が進んだ結果、処理負荷分散を目的としたマルチコアマイコンを搭載することが一般的となっている。一方で、制御システムの複雑化が進み、予期せぬ誤動作が生じることが懸念されている。このため、安全装置やフェールセーフ機能の設置が自動車用機能安全規格(ISO26262)によって規定されている。
同規格においては、同一制御装置上のソフトウェア部品間の独立性を高め、故障伝播を防ぐ仕組みが求められている。例えば下記特許文献1は、ハードウェア資源であるMPU(Memory Protection Unit)やMMU(Memory Management Unit)が有するメモリ保護機能を用いることにより、ソフトウェアのメモリアクセス先を保護するリソース・パーティショニング手法を提案し、これにより故障伝播を防ぐ仕組みを提供している。
一般に、MPUやMMUを使用した場合、実行するソフトウェアの権限に応じて、MPUやMMUが管理する権限モードを用いてソフトウェアがアクセス可能な範囲を切り替えることにより、リソース・パーティショニングを実現する。
特開2013−140477号公報
MPUやMMUの権限モードを切り替えるためには、一定のオーバヘッド時間が発生する。そのため、権限の異なるタスク群の実行順序がソフトウェア構成上で十分に整理されていない場合は、権限モードの切り替えが頻発してオーバヘッド時間が累積し、MPUやMMUの処理能力を超えて制御周期内で処理が完了できない可能性がある。
また、MPUやMMUはハードウェア資源であるので、管理できるメモリ領域数に制限がある。したがって、管理対象となるメモリや入出力レジスタの数にも制限がある。そうすると、ハードウェア構成やソフトウェア構成によっては、静的に記憶領域を割り付けると管理領域数が不足し、動的に記憶領域を割り付けると管理領域を切り替えるためのオーバヘッド時間が発生する。したがって、現実的にはメモリ管理を実現することが困難となる可能性がある。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、MPUやMMUなどのようなメモリ保護機能を有するハードウェア資源を用いずにメモリ保護を実現することができる電子制御装置を提供することを目的とする。
本発明に係る電子制御装置は、各演算部が共用する共用記憶領域を介して、各演算部のみがアクセスすることができる専用記憶領域との間でデータを読み書きする。
本発明に係る電子制御装置によれば、MPUやMMUのようなハードウェアを使用することなく、軽量なメモリ保護機能を実現することができる。
実施形態1に係る電子制御装置100の構成を説明するブロック図である。 電子制御装置100がコア3つを備える場合の構成例である。 電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを格納する手順を説明する図である。 電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを読み出す手順を説明する図である。 実施形態2において電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを格納する手順を説明する図である。 実施形態2において電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを読み出す手順を説明する図である。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る電子制御装置100の構成を説明するブロック図である。電子制御装置100は、n個のプロセッサコア(以下単にコアと呼ぶ)を持つマルチコアマイコンとして構成されている。各コアはそれぞれ専用記憶領域を備え、自身が備える専用記憶領域に対してデータを読み書きすることができる。各コアは他のコアが備える専用記憶領域に対してアクセスすることができないように構成されている。電子制御装置100はさらに、共有記憶領域110を備える。共有記憶領域110は、各コアがいずれもアクセスすることができる。
電子制御装置100はさらに、排他制御レジスタ120を備える。排他制御レジスタ120は、各コアがアクセスしたときアトミック操作することができるレジスタである。すなわち、排他制御レジスタ120に対して最初に書き込みアクセスしたコアのみが、排他制御レジスタ120を占有することができる。例えば、あるコアが排他制御レジスタ120に対してデータを書き込みしている間は、他のコアが排他制御レジスタ120に対してデータを書き込むことはできない。データ読み取りについては、いずれかのコアがデータ書き込み中であっても許可するようにしてもよいし、禁止してもよい。
電子制御装置100はさらに、コア間割り込みレジスタ130を備える。コア間割り込みレジスタ130は、対応するコアに対して割り込みを発生させることができる。例えばコア間割り込みレジスタ130の第1領域に対して所定のデータを書き込むと、第1コア140に対して割り込みを発生させることができる。コア毎にコア間割り込みレジスタ130を設けてもよいし、コア間割り込みレジスタ130を1つのみ設けてレジスタ上の各ビットが対応するコアに対して割り込みを発生させるように構成してもよい。
図2は、電子制御装置100がコア3つを備える場合の構成例である。ここでは第1コア140がメインコアであり、第2コア150と第3コア160がサブコアであるものとする。以下では第1コア140が使用するデータを第2コア専用記憶領域151や第3コア専用記憶領域161に対して読み書きすることを考える。
第2コア専用記憶領域151内にデータ保存領域152を設け、第3コア専用記憶領域161内にデータ保存領域162を設ける。これらデータ保存領域は、格納アドレスによって一意に特定できるものとする。さらに共有記憶領域110内にデータ保存領域111を設け、同様に格納アドレスによって領域を一意に特定できるようにしておく。これら保存領域のアドレスは、あらかじめ定めておいてもよいし、例えば第1コア140が任意で定めてもよい。
第1コア140が使用するデータを、データ保存領域111を経由して各コア専用保存領域に保存することを考える。最も単純には、第1コア140がデータ保存領域111にデータを保存し、他のコアがそのデータを読み出すことが考えられる。しかし各コアはそれぞれ独立して動作するので、いずれのコアを指定するかについての設計や、実行順序保証についての設計が難しくなる場合が多い。
そこで本発明は、専用記憶領域に対して他のコアがアクセスできないことを利用し、各コアが独立して動作している場合であっても、確実にメインコアのデータをサブコアの専用記憶領域に対して読み書きする構成例を提案する。
図3は、電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを格納する手順を説明する図である。ここでは具体例として、第1コア140が使用するデータを、データ保存領域111の2番目の記憶領域を介して、データ保存領域152の3番目の記憶領域に保存する方法について説明する。
(図3:ステップS100)
第1コア140は、保存したいデータをデータ保存領域111のアドレス2に対して格納する。
(図3:ステップS101)
第1コア140は、排他制御レジスタ120内のあらかじめ定めておいたレジスタ121〜124に対してデータ保存命令を書き込む。レジスタ121はデータ保存領域111がデータを格納するアドレスを記録するためのものであり、今回の例では「2」を格納する。レジスタ122は命令を実施するコアを指定するためのものであり、今回の例では「2」を格納する。レジスタ123はデータ保存領域152がデータを格納するアドレスを指定するためのものであり、今回の例では「3」を格納する。レジスタ124はデータ保存/データ読出のいずれを実施するかを指定するためのものであり、今回の例では「データ保存」を格納する。
(図3:ステップS102)
第2コア150は、ポーリングを実施して定期的に排他制御レジスタ120を参照することにより、第2コア150に対してデータ保存/データ読み出しを実施するよう指示する命令が発行されているか否かを確認する。今回の例において第2コア150は、データ保存領域111のアドレス2に格納されているデータをデータ保存領域152のアドレス3に対して保存するよう指示する命令が、第1コア140から発行されているものと解釈する。
(図3:ステップS103)
第3コア160は、ポーリングを実施して定期的に排他制御レジスタ120を参照することにより、第3コア160に対してデータ保存/データ読み出しを実施するよう指示する命令が発行されているか否かを確認する。今回の例では第2コア150が指定されているので、第3コア160は第1コア140からの命令を実施せずポーリングを続ける。
(図3:ステップS104)
第2コア150は、ステップS102における解釈にしたがって、データ保存領域111のアドレス2に格納されているデータを、データ保存領域152のアドレス3に対して保存する。本実施形態1においては、排他制御レジスタ120が全て「0」にセットされている場合、第1コア140は命令を発行していないことを意味するものとする。そこで第2コア150は、データ保存が完了すると排他制御レジスタ120の内容をすべて「0」にセットする。ソフトウェア起動時の初期化処理において、例えば第1コア140は排他制御レジスタ120を全て「0」にセットしておくことを前提とする。以上のステップS100〜S104により、第1コア140が用いるデータを安全に第2コア専用記憶領域151へ保存することができる。
図4は、電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを読み出す手順を説明する図である。ここでは具体例として、第1コア140が、データ保存領域152の3番目の記憶領域に保存されたデータを、データ保存領域111の2番目の記憶領域を介して読み出す方法について説明する。
(図4:ステップS200)
第1コア140は、排他制御レジスタ120内のあらかじめ定めておいたレジスタ121〜124に対してデータ読出命令を書き込む。今回の例では、レジスタ121に「2」を、レジスタ122に「2」を、レジスタ123に「3」を、レジスタ124に「データ読出」を、それぞれ設定する。
(図4:ステップS201)
第2コア150は、ポーリングを実施して定期的に排他制御レジスタ120を参照することにより、第2コア150に対してデータ保存/データ読出を実施するよう指示する命令が発行されているか否かを確認する。今回の例において第2コア150は、データ保存領域152のアドレス3に格納されているデータをデータ保存領域111のアドレス2に対してコピーするよう指示する命令が、第1コア140から発行されているものと解釈する。
(図4:ステップS202)
第3コア160は、ポーリングを実施して定期的に排他制御レジスタ120を参照することにより、第3コア160に対してデータ保存/データ読み出しを実施するよう指示する命令が発行されているか否かを確認する。今回の例では第2コア150が指定されているので、第3コア160は第1コア140からの命令を実施せずポーリングを続ける。
(図4:ステップS203)
第2コア150は、ステップS201における解釈にしたがって、データ保存領域152のアドレス3に格納されているデータを、データ保存領域111のアドレス2に対してコピーする。第2コア150は、コピーが完了すると排他制御レジスタ120の内容をすべて「0」にセットする。
(図4:ステップS204)
第1コア140は、排他制御レジスタ120の内容がすべて「0」になっていることを確認した後、データ保存領域111のアドレス2に格納されているデータを読み出す。以上のステップS200〜S204により、第1コア140は安全にデータを読み出すことができる。
<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係る電子制御装置100は、共有記憶領域110を介して、コア専用記憶領域に対してデータを読み書きする。コア専用記憶領域に対してデータを格納することにより、複数のコアからのアクセスが競合することなく、データを安全に読み書きすることができる。
本実施形態1に係る電子制御装置100は、排他制御レジスタ120を用いて、データ保存命令/データ読出命令や格納先アドレスについてコア間で通知する。これにより、複数のコアが同一の命令を実行してデータが破壊される危険がなくなり、データ保存/データ読出を安全に実施することができる。
本実施形態1に係る電子制御装置100によれば、メインコアが故障し、不正なデータ読出やデータ書込が起こりうる状況になったとしても、重要データを各サブコアの専用記憶領域に保存しておくことにより、他サブコアからのアクセスをハードウェア的に遮断することができる。その結果、MPUなどのメモリ保護のためのハードウェア資源を使用しなくとも、重要データを保護することができる軽量なメモリ保護機能を構成できる。
<実施の形態2>
実施形態1では、各サブコアが排他制御レジスタ120をポーリングすることにより、第1コア140から命令が発行されているか否かを確認する動作例を説明した。本発明の実施形態2では、ポーリングに代えてコア間割り込みレジスタ130を利用することにより実施形態1と同様の動作を実現する方法について説明する。
図5は、本実施形態2において電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを格納する手順を説明する図である。ここでは具体例として、第1コア140が使用するデータを、データ保存領域111の2番目の領域を介して、データ保存領域162の1番目の記憶領域に保存する方法について説明する。
図5において、レジスタ131は第1コア140に対して割り込みを要求するコア間割り込みレジスタであり、レジスタ132は第2コア150に対して割り込みを要求するコア間割り込みレジスタであり、レジスタ133は第3コア160に対して割り込みを要求するコア間割り込みレジスタである。
(図5:ステップS300)
第1コア140は、保存したいデータをデータ保存領域111のアドレス2に対して格納する。
(図5:ステップS301)
第1コア140は、排他制御レジスタ120内のあらかじめ定めておいたレジスタ121〜124に対してデータ保存命令を書き込む。今回の例では、レジスタ121に「2」を、レジスタ122に「3」を、レジスタ123に「1」を、レジスタ124に「データ保存」を、それぞれ設定する。
(図5:ステップS302)
第1コア140は、ステップS301においてレジスタ122により指定したコアに対して、コア間割り込みレジスタ130を用いて割り込みを発生させる。今回の例では第3コア160に対して割り込みを発生させたいので、コア間割り込みレジスタ133に対して所定のデータを書き込むことにより、割り込みを発生させる。
(図5:ステップS303)
第3コア160は、ステップS302の割り込み要求にしたがって割り込み処理を実施し、排他制御レジスタ120を参照する。第3コア160は、データ保存領域111のアドレス2に格納されているデータをデータ保存領域162のアドレス1に対して保存するよう指示する命令が、第1コア140から発行されているものと解釈する。
(図5:ステップS304)
第3コア160は、ステップS303における解釈にしたがって、データ保存領域111のアドレス2に格納されているデータを、データ保存領域162のアドレス1に対して格納する。
(図5:ステップ305)
第3コア160は、第1コア140に対してコア間割り込みレジスタ131を用いて割り込み要求を発行することにより、データ保存が完了した旨を第1コア140に対して通知する。
(図5:ステップS306)
第1コア140は、ステップS305の割り込み要求にしたがって、割り込み処理を実施する(すなわちデータ保存処理を完了する)。以上のステップS300〜S306により、第1コア140が用いるデータを安全に第3コア専用記憶領域161へ保存することができる。
図6は、本実施形態2において電子制御装置100がメモリ保護を実現しつつデータを読み出す手順を説明する図である。ここでは具体例として、第1コア140が、データ保存領域162の1番目の記憶領域に保存されたデータを、データ保存領域111の2番目の記憶領域を介して読み出す方法について説明する。
(図6:ステップS400)
第1コア140は、排他制御レジスタ120内のあらかじめ定めておいたレジスタ121〜124に対してデータ読出命令を書き込む。今回の例では、レジスタ121に「2」を、レジスタ122に「3」を、レジスタ123に「1」を、レジスタ124に「データ読出」を、それぞれ設定する。
(図6:ステップS401)
第1コア140は、ステップS401においてレジスタ122により指定したコアに対して、コア間割り込みレジスタ130を用いて割り込みを発生させる。今回の例では第3コア160に対して割り込みを発生させたいので、コア間割り込みレジスタ133に対して所定のデータを書き込むことにより、割り込みを発生させる。
(図6:ステップS402)
第3コア160は、ステップS401の割り込み要求にしたがって割り込み処理を実施し、排他制御レジスタ120を参照する。第3コア160は、データ保存領域162のアドレス1に格納されているデータをデータ保存領域111のアドレス2に対してコピーするよう指示する命令が、第1コア140から発行されていると解釈する。
(図6:ステップS403)
第3コア160は、ステップS402における解釈にしたがって、データ保存領域162のアドレス1に格納されているデータを、データ保存領域111のアドレス2に対してコピーする。
(図6:ステップS404)
第3コア160は、第1コア140に対してコア間割り込みレジスタ131を用いて割り込み要求を発行することにより、データコピーが完了した旨を第1コア140に対して通知する。
(図6:ステップS405)
第1コア140は、ステップS404の割り込み要求にしたがって、割り込み処理(S406)を実施する。
(図6:ステップS406)
第1コア140は、ステップS400において指定したデータ保存領域111のアドレス2よりデータを読み出す。以上のステップS400〜S406により、第1コア140は安全にデータを読み出すことができる。
<実施の形態2:まとめ>
本実施形態2に係る電子制御装置100は、コア間割り込みレジスタ130を用いて、データ保存命令/データ読出命令や格納先アドレスについてコア間で通知する。これにより、実施形態1と同様にデータ保存/データ読出を安全に実施することができる。また各コアは排他制御レジスタ120をポーリングする必要がなくなるので、処理負荷を抑えることができる。
<本発明の変形例について>
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について他の構成の追加・削除・置換をすることができる。
実施形態1〜2において、データ保存とデータ読出いずれも同じ方式を用いているが、実施形態1〜2それぞれの方式を組み合わせてもよい。例えば、データ保存については実施形態1記載のポーリングを用い、データ読出については実施形態2記載のコア間割り込みを用いることができる。ただし、実施形態2を単独で使用する場合は排他制御レジスタ120を「0」に設定することは不要であるが、実施形態1〜2を組み合わせる場合は例えばS305やS306などにおいて排他制御レジスタ120をすべて「0」に設定する必要がある。
実施形態1〜2において、MPUなどのハードウェア資源によるメモリ保護を併用してもよい。この場合は、データ保存領域111についてのみMPUにより保護することにより、ハードウェア資源を少量用いるのみで安全に重要データを保存することができる。
実施形態1〜2において、各サブコアは上記動作に加えて、例えば専用記憶領域に保存したデータを多重化して保持したり、自身の専用記憶領域に対するメモリ診断を常に実施したりしてもよい。これにより、保存されたデータが揮発などにより破壊されていないことを保証できる。
実施形態1〜2において、第1コア140は専用記憶領域上のアドレスをレジスタ123によって指定しているが、いずれのデータが専用記憶領域上のいずれの領域に格納されているのかを特定することができれば、必ずしも専用記憶領域上のアドレスを指定する必要はない。例えばスタック構造を用いてデータを特定することもできるし、その他適当なメモリ構造を用いてデータを特定してもよい。
実施形態1〜2において、コア間でデータを安全に保存・読出する例を説明したが、例えばプロセッサなどのその他演算部の間において本発明と同様の手順を実施することもできる。
100:電子制御装置、110:共用記憶領域、120:排他制御レジスタ、130:コア間割り込みレジスタ、140:第1コア、141:第1コア専用記憶領域、150:第2コア、151:第2コア専用記憶領域、160:第3コア、161:第3コア専用記憶領域。

Claims (5)

  1. 自動車の動作を電子的に制御する電子制御装置であって、
    前記自動車の動作を制御するための制御演算を実施する第1および第2演算部、
    前記第1および第2演算部の間で共用してデータを格納する共用記憶部、
    前記第1演算部のみがデータを読み書きすることができる第1専用記憶部、
    前記第2演算部のみがデータを読み書きすることができる第2専用記憶部、
    を備え、
    前記第1演算部は、前記第2専用記憶部が格納すべきデータを前記共用記憶部に対して書き込むとともに、前記共用記憶部上における前記データのアドレスを読取指定アドレスとして前記第2演算部に対して通知し、
    前記第2演算部は、前記データを前記共用記憶部に対して書き込んだ旨の通知を受け取ると、前記第1演算部から通知された前記読取指定アドレスから前記データを読み取るとともに、その読み取ったデータを前記第2専用記憶部に対して書き込み、
    前記第1演算部は、前記第2専用記憶部が格納している前記データを読み取ることを要求する読出要求を前記第2演算部に対して通知するとともに、前記第2専用記憶部が格納している前記データを格納すべき前記共用記憶部上のアドレスを書込指定アドレスとして前記第2演算部に対して通知し、
    前記第2演算部は、前記読出要求を取得すると、前記第2専用記憶部が格納している前記データを前記第1演算部から通知された前記書込指定アドレスに対して書き込むとともに、その旨を前記第1演算部に対して通知し、
    前記第1演算部は、前記第2演算部から前記共用記憶部に対して前記データを書き込んだ旨の通知を受け取ると、前記第2演算部に対して通知した前記書込指定アドレスから前記データを読み取る
    ことを特徴とする電子制御装置。
  2. 自動車の動作を電子的に制御する電子制御装置であって、
    前記自動車の動作を制御するための制御演算を実施する第1および第2演算部、
    前記第1および第2演算部の間で共用してデータを格納する共用記憶部、
    前記第1演算部のみがデータを読み書きすることができる第1専用記憶部、
    前記第2演算部のみがデータを読み書きすることができる第2専用記憶部、
    を備え、
    前記第1演算部は、前記第2専用記憶部が格納すべきデータを前記共用記憶部に対して書き込むとともに、前記共用記憶部上における前記データのアドレスを読取指定アドレスとして前記第2演算部に対して通知し、
    前記第2演算部は、前記データを前記共用記憶部に対して書き込んだ旨の通知を受け取ると、前記第1演算部から通知された前記読取指定アドレスから前記データを読み取るとともに、その読み取ったデータを前記第2専用記憶部に対して書き込み、
    前記第1演算部は、前記データを格納すべき前記第2専用記憶部上のアドレスを前記第2演算部に対して通知し、
    前記第2演算部は、前記第1演算部から通知された前記第2専用記憶部上のアドレスに対して前記データを書き込む
    ことを特徴とする電子制御装置。
  3. 自動車の動作を電子的に制御する電子制御装置であって、
    前記自動車の動作を制御するための制御演算を実施する第1および第2演算部、
    前記第1および第2演算部の間で共用してデータを格納する共用記憶部、
    前記第1演算部のみがデータを読み書きすることができる第1専用記憶部、
    前記第2演算部のみがデータを読み書きすることができる第2専用記憶部、
    を備え、
    前記第1演算部は、前記第2専用記憶部が格納すべきデータを前記共用記憶部に対して書き込むとともに、前記共用記憶部上における前記データのアドレスを読取指定アドレスとして前記第2演算部に対して通知し、
    前記第2演算部は、前記データを前記共用記憶部に対して書き込んだ旨の通知を受け取ると、前記第1演算部から通知された前記読取指定アドレスから前記データを読み取るとともに、その読み取ったデータを前記第2専用記憶部に対して書き込み、
    前記電子制御装置はさらに、前記第1演算部と前記第2演算部のいずれか一方がデータを書き込んでいる間は他方がデータを書き込むことができない排他制御レジスタを備え、
    前記第1演算部は、前記共用記憶部上における前記データのアドレスを前記排他制御レジスタに対して書き込むことによりそのアドレスを前記第2演算部に対して通知する
    ことを特徴とする電子制御装置。
  4. 前記第2演算部は、前記排他制御レジスタをポーリングすることにより、前記データを前記共用記憶部に対して書き込んだ旨の通知を前記第1演算部から受け取る
    ことを特徴とする請求項記載の電子制御装置。
  5. 前記電子制御装置はさらに、所定の値を書き込むことによって前記第1および第2演算部それぞれに対して個別の割り込みを発生させる割込制御レジスタを備え、
    前記第1演算部は、前記共用記憶部上における前記データのアドレスを前記排他制御レジスタに対して書き込むとともに、前記割込制御レジスタに対して前記第2演算部における割り込みを発生させる値を書き込むことにより、前記第2演算部に対して前記共用記憶部上に前記データを書き込んだ旨を通知し、
    前記第2演算部は、前記割込制御レジスタを介して割り込みが発生すると、前記第1演算部から通知された前記共用記憶部上におけるアドレスから前記データを読み取る
    ことを特徴とする請求項記載の電子制御装置。
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