JPH07146799A - マルチタスク・システムにおけるタスク切り換え方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 タスク切り換えに伴うシステムのオーバーヘ
ッドを低減する。 【構成】 タスク切り換えの際に、レジスタの値がメモ
リ中の退避領域のそれと一致しているか否かをプロセッ
サ中のビット行列により管理し、値が一致していないレ
ジスタについてのみ情報の入れ替えを行なう。 【効果】 システムが、オーバーヘッドのより低いタス
ク切り換えを実行することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マルチタスク（複数の
タスクを並行に動作させる）方式のコンピュータにおけ
る、タスク切り換え（オペレーティング・システム等に
よるタスクのプロセッサへの割り当て）方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】マルチタスク・システムは、システムが
複数のタスクを並行に実行するシステムである。

【０００３】タスクは、コンピュータ・システム中の一
つあるいは複数のプロセッサにより実行され、一つのプ
ロセッサは同時に一つのタスクを実行することができ
る。

【０００４】マルチタスク・システムにおいて、システ
ムプログラムは、プロセッサによるタスクの実行をタイ
ムクォンタムと呼ばれる時間間隔で切り換える。

【０００５】システム中に複数の実行可能な（プロセッ
サに割り当てることができる）タスクがあったとき、シ
ステムプログラムは、プロセッサにいずれかのタスクを
プロセッサに割り当てる。

【０００６】マルチタスクを実現するためには、システ
ムプログラムはタスクの切り換えごとに、切り換え元の
タスクのコンテクスト（プロセッサのレジスタセット
等）を保存し、切り換え先のタスクのコンテクストをプ
ロセッサに設定しなおす必要がある。従来の技術では、
タスク切り換えに伴うレジスタの退避／回復を、プロセ
ッサ中のすべてのレジスタについて区別無く行ってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】マルチタスク・システ
ムの性能指標のひとつに、タスクの切り換えによるオー
バーヘッドがある。プロセッサの動作する全体の時間に
は、ユーザタスク（コンピュータの使用者が生成したタ
スク）実行ののべ時間と、オペレーティング・システム
の動作時間等からなるその他の時間が含まれ、全体の時
間に占めるユーザタスクの実行時間の割合は高いほど良
い。複数のタスクを切り換えることによるシステムのオ
ーバーヘッドは、ユーザタスクの実行時間の割合を減少
させ、ひいてはシステムのスループットを低下させる。
プロセッサのレジスタ数が多く、コンテクスト切り換え
にともない、退避，回復する情報が大きいとスループッ
トの低下が顕著になる。

【０００８】本発明は上述のようなタスク切り換えに伴
うタスク情報の退避／回復のコストを削減し、システム
のオーバーヘッドの問題を解決しようとしている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図１に課題を解決するた
めの手段を示す。本発明は、実行中のタスク情報を保持
する「実行タスク情報保持手段（１０１）」と、実行待
ちの（現在は実行されていないが将来実行される予定
の）タスク情報を保持する「タスク情報退避手段（１０
２〜１０４）」と、実行タスク情報保持手段内の情報の
読み書きを行う「タスク情報アクセス手段（１０５）」
と、実行タスク情報保持手段中のタスク情報とタスク情
報退避手段中の情報の一致／不一致を管理し、タスク情
報の退避／回復の際に入れ換えが必要な情報を特定す
る、「タスク情報管理手段（１０６）」を備える。

【００１０】タスク情報管理手段は内部にＭ×Ｎのビッ
ト行列（１０７）を備える。ただし、実行タスク情報保
持手段（１０１）は、その保持手段がＭ個のグループに
分割されているものとし、Ｍはそのグループ数である。
Ｎはシステムにより決められた数である。

【００１１】

【作用】システム中において、上記手段がタスク情報管
理のためにどのように作用するかを以下述べる。

【００１２】システムは、ユーザタスクのうちのひとつ
を実行するとき、実行中のタスク情報を実行タスク情報
保持手段（１０１）に保持し、それ以外のタスクの情報
を各々のタスク情報退避手段（１０２〜１０４）へ保持
する。

【００１３】システムがＬ個のユーザタスクを管理する
とき、システムはこのうちのＮ個のユーザタスクを、上
述のビット行列（１０７）中のＮ個の列に対応づける。
Ｌ≦Ｎならばすべてのタスクはビット行列中のいずれか
の列に対応づけることが可能である。Ｌ＞Ｎならば、対
応付けられず余るタスクが出現するが、この場合、余っ
たタスクに対応するビットはすべて０であるとみなす。
また、ビット行列の各行は、各々、実行タスク情報保持
手段（１０１）中の各情報グループに対応している。ビ
ット行列の初期値は０とする。

【００１４】実行タスク情報保持手段（１０１）内の情
報は、すべてタスク情報アクセス手段（１０５）により
読み書きを行う。

【００１５】実行タスク情報保持手段（１０１）中の情
報に書き込みを行うとき、タスク情報アクセス手段（１
０５）は、実行タスク情報保持手段（１０１）に保持さ
れている書き込み前の値と、書き込みを行おうとする値
とを比較し、これらが異なるとき（以後、このように、
異なる値により実行タスク情報保持手段（１０１）中の
情報を書き替えることを「更新」と呼ぶ。）、タスク情
報管理手段（１０６）のビット行列中の（行，列）＝
（更新された情報が属するグループ，すべて）のビット
を０にする。この操作は、実行タスク情報保持手段（１
０１）へのあらゆる書き込みすべてについておこなう。

【００１６】さらに、上記においてタスク情報退避手段
（１０２〜１０４）から情報を読みだし、実行タスク情
報保持手段（１０１）への書き込みをおこなった場合に
は、タスク情報アクセス手段（１０５）は、タスク情報
管理手段のビット行列（１０７）中の（行，列）＝（グ
ループ，退避タスク）のビットを１にする。

【００１７】また、実行タスク情報保持手段（１０１）
から情報を読みだし、タスク情報退避手段（１０２〜１
０４）への書き込みをおこなったとき、タスク情報アク
セス手段（１０５）は、タスク情報管理手段（１０６）
のビット行列（１０７）中の（行，列）＝（グループ，
退避タスク）のビットを１にする。

【００１８】上述の方法によりビット行列の管理をおこ
なうことで、ビット行列（１０７）中の要素（ｍ，ｎ）
は、実行タスク情報保持手段（１０１）中のグループｍ
の情報と、タスクｎのタスク情報退避手段中のそれとの
一致／不一致（１のとき一致，０のとき不一致）を表
す。

【００１９】さらに、上述のシステムが現在のタスクか
ら実行待ちの別のタスクへ切り換える際の作用を具体的
に述べる。

【００２０】あるユーザタスクがタイム・クォンタムを
使いきる、Ｉ／Ｏ完了割込み待ちになる等の理由によ
り、ユーザタスクが中断され、タスク管理システム（こ
こでは、ユーザタスクを切り替えるためにシステムが実
行するＯＳ等のプログラム，もしくは同等の機能を持つ
ハードウェアをいうことにする。）の動作がはじまった
とする。このとき、タスク管理システムが実行タスク情
報保持手段（１０１）中の情報を実行待ちタスク情報保
持手段（１０２〜１０４のいずれか）に退避しなければ
ならない。そこで、システムはタスク情報管理手段（１
０６）内のビット行列（１０７）中、それまで実行して
いたユーザタスク（切り替え元タスク）に対応する列の
ビット値をもとにタスク情報の退避を行う。具体的に
は、当該ビット列が１であればそのグループに属する情
報は退避せず、０であるグループに属する情報のみを退
避する。なぜならば、ビットが１であるグループに属す
るタスク情報は、当該切り替え元タスクへの切り替えの
際に実行待ちタスク情報退避手段（）から実行タスク情
報保持手段（１０１）に書き込まれてから更新されてい
ないからである。

【００２１】つぎに、タスク管理システムが、システム
の実行を別のユーザタスクへ切り換える際、タスク管理
システムは、別の切り替えたいユーザタスク（切り替え
先ユーザタスク）の情報が退避されているタスク情報退
避手段（例えば１０４とする）から実行タスク情報保持
手段（１０１）へタスク情報を回復しなければならな
い。タスク管理システムは、切り替え先ユーザタスクを
選択した後、そのタスクへ切り換えるためにどの情報を
入れ替える必要があるかを、タスク情報管理手段中の切
り替え先タスクに対応するビット列（１０８）より判断
する。具体的には、当該ビット列が１であればそのグル
ープに属する情報は回復せず、０であるグループに属す
る情報のみを退避する。なぜならば、ビットが１である
グループに属するタスク情報は、実行タスク情報保持手
段（１０１）中とタスク情報退避手段（１０４）中とで
一致しているからである。

【００２２】タスク管理システムは複数の切り替え先タ
スクの候補の間で、情報入替えのためのコストを比較
し、コストのより低いタスクを選択することもできる。
通常、コストを入れ替え必要な情報の数とし、前出のビ
ット列を複数抽出し、各ビット列中の１の合計数の最も
多いタスクを選択することで、切り換えコストの最も低
いタスクを決定することができる。

【００２３】

【実施例】本発明における第１の実施例を図２〜４によ
り示す。本実施例におけるシステムはプロセッサ（２０
１），メモリ（２０２）を備え、プロセッサはＭ個のレ
ジスタ（２０３），レジスタ情報管理手段（２０４），
レジスタアクセス手段（２０５）を備える。さらに、レ
ジスタ情報管理手段はＭ×Ｎビットの記憶手段からなる
ビット行列（２０６）を備える。Ｍはレジスタの数，Ｎ
はプロセッサに固有の値であり、本実施例ではＮ＝２５
６である。ビット行列の初期値は０である。

【００２４】次に、本実施例のシステムにおけるタスク
管理方法を説明する。

【００２５】システムは同時にＬ個までのユーザタスク
を管理し、各タスクに固有の番号（ユーザタスク番号）
を付ける。このうちのＮ個のユーザタスクを、タスク番
号を用いてプロセッサ中のビット行列中の列（最大Ｎ
個）に対応付ける。

【００２６】本システムがユーザタスクのうちのひとつ
を実行しているとき、プロセッサ内のＭ個のレジスタ
（２０３）の値は実行中タスクのコンテクストの一部で
あり、他のユーザタスクのレジスタのコンテクストはメ
モリ中のレジス退避領域（２０７）に退避される。

【００２７】レジスタの読みだし／書き込みはすべてレ
ジスタアクセス手段（２０５）を介して行なう。命令に
よりレジスタへの書き込みを行なうとき、いかなるとき
もレジスタアクセス手段は既存のレジスタ値と書き込み
値を比較し、値が異なる場合にのみ、書き込み対象のレ
ジスタに対応するビット行列（２０６）中の行（２０
８）をクリアする（３０２）。

【００２８】つぎに、本実施例のシステムが現在のタス
クから実行待ちの別のタスクへ実行を切り換える際の動
作（３０１，４０１，４０２）を述べる。

【００２９】あるユーザタスクがタイム・クォンタムを
使いきる，Ｉ／Ｏ完了割込み待ちになる等の理由により
実行が中断されると、システムプログラムの動作が開始
される。システムプログラムはつぎの手順によりプロセ
ッサ内のレジスタをメモリ中のレジスタ退避領域に退避
を行なう（４０１）。まず、システムプログラムは実行
を中断したタスクに対応するビット行列中の列（２０
９）に着目する。もしも対応する列が存在しなければ、
値０のビット列があるとみなす。当該ビット列を先頭か
ら順に検査し、値が０であるビットに対応するレジスタ
のみを退避領域にコピーする。この動作を全レジスタに
ついて行なったのち、当該ビット列の要素をすべて１に
する。

【００３０】システムプログラムは、さらに各種のシス
テム動作を行なった後、実行を別のユーザタスクへ切り
換える（３０１）。このため、システムプログラムはつ
ぎの手順によりメモリ中のレジスタ退避領域からプロセ
ッサ内のレジスタへコンテクストの回復を行う（４０
２）。まず、システムプログラムは切り換えたいタスク
に対応するビット行列中の列（２０９）に着目する。
（もしも対応する列が存在しなければ、新たに割り当て
るか、もしくは値０のビット列があるとみなす。）当該
ビット列を先頭から順に検査し、値が０であるビットに
対応する退避情報のみを退避領域からレジスタへコピー
する。この動作を全レジスタについて行なったのち、当
該ビット列の要素をすべて１にする。

【００３１】本実施例のシステムにおいては、Ｎ個まで
のタスクについて入替えレジスタの比較を行なうことが
できる。この機能を用いてシステムプログラムは複数の
切り換え先タスクの候補の間で、情報入れ替えのための
コストを比較し、コストのより低いタスクを選択するこ
ともできる。

【００３２】すなわち、コストを入替え必要なレジスタ
の数とした場合、上述のレジスタ回復手順を拡張し、切
り換え先タスクの候補を複数選び、システムプログラム
は前出のビット列のうち、各候補に対応する複数のビッ
ト列に着目し、各ビット列中の１が最も多いタスクを選
択し、切り換えコストの低いタスクを決定することがで
きる。

【００３３】つぎに本発明の第２の実施例を図２〜５に
より示す。本実施例は、第１の実施例において行われる
レジスタの退避／回復手順を、プロセッサの命令により
行う例である。

【００３４】本実施例におけるシステムはプロセッサ
（２０１），メモリ（２０２）を備え、プロセッサはＭ
個のレジスタ（２０３），レジスタ情報管理手段（２０
４），レジスタアクセス手段（２０５）を備える。さら
に、レジスタ情報管理手段はＭ×Ｎビットの記憶手段か
らなるビット行列（２０６）を備える。Ｍはレジスタの
数，Ｎはプロセッサに固有の値であり、本実施例ではＮ
＝２５６である。ビット行列の初期値は０である。

【００３５】次に、本実施例のシステムにおけるタスク
管理方法を説明する。

【００３６】システムは同時にＬ個までのユーザタスク
を管理し、各タスクに固有の番号（ユーザタスク番号）
を付ける。このうちのＮ個のユーザタスクを、タスク番
号を用いてプロセッサ中のビット行列中の列（最大Ｎ
個）に対応付ける。

【００３７】本システムがユーザタスクのうちのひとつ
を実行しているとき、プロセッサ内のＭ個のレジスタの
値は実行中タスクのコンテクストの一部であり、他のユ
ーザタスクのレジスタのコンテクストはメモリ中のレジ
スタ退避領域（２０７）に退避される。

【００３８】レジスタの読みだし／書き込みはすべてレ
ジスタアクセス手段（２０５）を介して行なう。命令に
よりレジスタへの書き込みを行なうとき、いかなるとき
もレジスタアクセス手段は既存のレジスタ値と書き込み
値を比較し、値が異なる場合にのみ、書き込み対象のレ
ジスタに対応するビット行列（２０６）中の行（２０
８）をクリアする。

【００３９】さらに、プロセッサはレジスタ回復命令，
およびレジスタ退避命令を備える。（図５）レジスタ回
復命令はタスク番号と、レジスタ退避領域のアドレスを
引数に持ち（５０１）、引数により指定されたタスクの
レジスタ・コンテクストを、引数により指定されたレジ
スタ退避領域（２０７）からレジスタへデータをコピー
する。ただし、引数により指定されたタスクに対応する
列（２０９）がビット行列中に存在すれば、そのビット
列に着目し、そのビット列の要素が１のものについて
は、コピーを省略する。対応する列が存在しなければ、
そのビット列は要素０の仮想のビット列とみなす（すな
わち、全てのレジスタについてコピーを行なう。）。コ
ピーに際して、これはレジスタへの書き込みであるの
で、上述のレジスタアクセス手段（２０５）による動作
（既存のレジスタ値と書き込み値を比較し、値が異なる
場合にのみ、書き込み対象のレジスタ（２１０）に対応
するビット行列（２０６）中の行（２０８）をクリアす
る動作）も同時に行なわれる。そしてコピー終了の後、
着目するビット列（２０９）の要素をすべて１にする。

【００４０】レジスタ退避命令は、タスク番号と、レジ
スタ退避領域のアドレスを引数に持ち（５０２）、引数
により指定されたタスクのレジスタ・コンテクストを、
レジスタから指定されたメモリ中のレジスタ退避領域
（２０７）へコピーする。ただし、引数により指定され
たタスクに対応する列（２０７）がビット行列中に存在
すれば、そのビット列に着目し、そのビット列の要素が
０の場合には対応するレジスタにコピーを行い、１の場
合にはコピーを省略する。対応する列が存在しなけれ
ば、そのビット列の各要素は０とみなす（すなわち、全
てのレジスタについてコピーを行なう。）。そしてコピ
ー終了の後、着目するビット列（２０９）の要素をすべ
て１にする。

【００４１】つぎに、本実施例のシステムが現在のタス
クから実行待ちの別のタスクへ実行を切り換える際の動
作を述べる。

【００４２】あるユーザタスクがタイム・クォンタムを
使いきる，Ｉ／Ｏ完了割込み待ちになる等の理由により
実行が中断されると、システムプログラムの動作が開始
される。システムプログラムはプロセッサ内のレジスタ
をメモリ中のレジスタ退避領域に退避を行なう。これ
は、上述のレジスタ退避命令を使用することにより行な
い、実行が中断されたプロセス番号，タスクに対応する
レジスタ退避領域のアドレスを引数に指定する。

【００４３】システムプログラムは、さらに各種のシス
テム動作をおこなった後、実行を別のユーザタスクへ切
り換える。システムプログラムはレジスタ回復命令を用
いてレジスタ退避領域（２０７）からレジスタ（２０
３）へ、タスクコンテクストを回復する。引数に切り換
え先ユーザタスク番号、およびレジスタ退避領域のアド
レスを指定する。

【００４４】本実施例のシステムは、Ｎ個までのタスク
について入替えレジスタ数の比較を行なうことができ
る。この機能を用いてシステムは複数の切り換え先タス
クの候補の間で、情報入れ替えのためのコストを比較
し、コストのより低いタスクを選択することもできる。
コストを入替え必要なレジスタの数とした場合、つぎの
方法により実施する。

【００４５】上述のレジスタ回復命令を拡張し、回復に
係るタスクの候補を引数により複数指定できるようにす
る（５０３）。プロセッサはこの命令を受け取ると、前
出のビット列のうち、複数のビット列に着目し、各ビッ
ト列中の１が最も多いタスクを選択し、切り換え先タス
クを決定する。

【００４６】

【発明の効果】本発明は、ビット行列を用いて、現在実
行中のタスクのコンテクストがその退避領域中の情報と
一致しているか否かを管理している。このため、システ
ムがタスクを切り換える際に退避／回復すべき情報をよ
り細かく特定し、退避／回復のオーバーヘッドがより低
いタスク切り換えを実行することができる。また、ひい
てはこれにより、ユーザプロセス実行のスループットを
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタスク切り換え機構の構成図。

【図２】本発明のシステムの実施例。

【図３】本発明の方法によるタスク切り換え手順およ
び、レジスタへの書き込み手順を示した図。

【図４】本発明の方法によるレジスタ退避／回復手順。

【図５】レジスタ退避／回復命令フォーマットを示した
図。

【符号の説明】

１０１…実行タスク情報保持手段，１０２…タスク情報
退避手段（タスクＡ），１０３…タスク情報退避手段
（タスクＢ），１０４…タスク情報退避手段（タスク
ｎ），１０５…タスク情報アクセス手段，１０６…タス
ク情報管理手段，１０７…ビット行列，１０８…ビット
行列中の列，２０１…本実施例におけるプロセッサ，２
０２…メモリ，２０３…レジスタ，２０４…レジスタ情
報管理手段，２０５…レジスタアクセス手段，２０６…
ビット行列，２０７…レジスタ退避手段，２０８…２１
０のレジスタに対応するビット行，２０９…ビット行列
中のビット列，２１０…２０８のビット行に対応するレ
ジスタ，２１１…ビット行列中のビット行，３０１…タ
スク切り換え動作手順，３０２…レジスタへの書き込み
手順，４０１…レジスタ退避手順，４０２…レジスタ回
復手順。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実行タスク情報保持手段と、タスク情報退
   避手段と、タスク情報アクセス手段、およびタスク情報
   管理手段を備えることを特徴としたタスク管理システ
   ム。
2. 【請求項２】上記タスク情報管理手段に、行列中の各列
   にシステムの管理するタスク，各行にレジスタを対応付
   けたビット行列を備え、これによりタスク間の情報管理
   を行うことを特徴としたタスク管理システム。
3. 【請求項３】プロセッサがレジスタの退避／回復を行う
   命令を備え、これら命令がタスク情報管理手段を用いて
   レジスタの退避／回復を行う機能を備えたタスク管理シ
   ステム。