JPH0764802A - リアルタイムシステムのシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】汎用開発マシン上に、マシンのハードウェア構
成およびシステム生成系に依存しない、ユーザレベルの
関数並列実行環境の構築されたシミュレーション装置を
実現する。 【構成】リアルタイムカーネル部、このリアルタイムカ
ーネル部が使用するシステムテーブル、並列実行関数が
使用する割り込みスタックを備え、汎用開発マシンの
グローバルＧＯＴＯ機能およびソフトウェア割り込み機
能を使用し、前記割り込みスタックをソフトウェア割
り込みのスタックとして登録し、前記グローバルＧＯ
ＴＯ機能およびソフトウェア割り込み機能を利用して実
行コンテキストをセーブまたはリストアし、並列実行
関数がソフトウェア割り込みハンドラの一部として動作
するように構成したシミュレーション環境部を具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、汎用開発マシン（例え
ばＵＮＩＸマシン：ＵＮＩＸは登録商標）上においてリ
アルタイムシステム等のような任意のカーネルを使用し
たマルチタスク実行環境のシミュレーションや、スレッ
ドの並列実行を提供するスレッドライブラリをユーザア
プリケーションレベルで実現することのできるシミュレ
ーション装置の実現に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、リアルタイムシステム等のように
ターゲットマシン上で動作するマルチタスクシステム
を、ＵＮＩＸ等のような汎用開発マシン上でシミュレー
ションして、ターゲットシステムの動作を忠実に近似す
ることのできる開発環境（ここではこれをシミュレーシ
ョン装置と呼ぶ）が研究されている。このシミュレーシ
ョン技術の中心は、シミュレーションされたカーネル制
御のもとで１つのユーザアプリケーション内の複数のタ
スクを並列実行させる手法である。換言すれば、タスク
に相当する関数を並列実行させる、ユーザレベルのスレ
ッドライブラリィの実現法である。複数の関数を並列実
行させるためには、任意のタイミングで関数の実行コン
テキストを切り換える必要があり、通常、図５のフロー
チャートに示すようなアルゴリズムによりコンテキスト
の切り換えを行うが、実行コンテキストのセーブやリス
トアにおいては次の２種類の手法が試みられてきた。

【０００３】(1) ユーザが作成するハードウェア依存関
数で実現する手法 関数の実行コンテキストをセーブあるいはリストアする
ハードウェア依存の専用関数（アセンブラ等で記述され
た関数）をユーザが作成する。 (2) 汎用開発マシンのグローバルＧＯＴＯ機能を用いて
実現する手法 汎用開発マシンのグローバルＧＯＴＯ機能は、通常SETJ
MP／LONGJMP 関数で提供されているが、これらの関数を
用いて実行コンテキストをセーブあるいはリストアす
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実行コ
ンテキストのセーブやリストアを行う上記のような従来
の手法には以下に述べるように長所もある代わりに無視
できない短所もあって、必ずしも最善の手法とは言えな
かった。

【０００５】上記(1) の手法すなわち、ユーザが作成す
るハードウェア依存関数で実現する手法における長所と
短所。 ［長所］ ユーザが独自のフォーマットで実行コンテキストを決
めることができるので、コンテキストの初期設定や変更
は、ユーザの希望通りに行える。 マルチタスクシステム等で使用するカーネルをシミュ
レーションする場合は、ターゲットシステムにかなり近
いタイミングでタスクのコンテキストの切り換えが可能
である。 ［短所］ セーブ／リストア専用関数は、汎用開発マシンのハー
ドウェアの構成を完全に理解した上で、各ハードウェア
要素に依存した言語（アセンブラ）を用いて記述するた
め、容易ではない。 ハードウェア構成やそれに関係したシステム生成系
（コンパイラ等）が異なる汎用開発マシン上で動作させ
る場合は、セーブ／リストア専用関数を変更しなければ
ならない。

【０００６】上記(2) の手法すなわち、汎用開発マシン
のグローバルＧＯＴＯ機能を用いて実現する手法におけ
る長所と短所。 ［長所］ 汎用開発マシンに通常サポートされている機能である
ため、ユーザがマシンのハードウェア構成を意識する必
要はない。 高級言語のみを使用して、ユーザレベルの関数並列実
行環境を構築できる。 ［短所］ 並列実行させる関数のメイン関数を初めて呼び出す場
合は、その呼び出し用コンテキストをユーザが作成する
必要がある。そのため、マシン毎にSETJMP／LONGJMP 関
数（ＵＮＩＸに標準装備の関数）が扱うコンテキストの
データ構造を解析し、ユーザが高級言語を用いてその構
造に適した初期設定を行う必要がある。 図６のフローチャートに示すように、SETJMP／LONGJM
P 関数のデータ構造を解析しない手法も研究されている
が、次のａ）およびｂ）の問題が存在する。 a)並列実行させる関数のメイン関数の呼び出し情報（引
数や実行状態）は、その呼び出し用コンテキストの初期
設定時に決まり、設定後は変更することができない。 b)システムのユーザスタック空間を拡張して並列動作関
数のスタックを割り当てるため、一度割り当てたスタッ
クは、その関数の実行を終了しても別の関数に再割り当
てできない。並列動作関数が使用するスタックのサイズ
は、予め決められた粒度単位の倍数である。リアルタイ
ムシステム等のカーネルをシミュレーションする場合
は、上記の理由によりそのカーネルのメモリ管理機能を
使用したスタックの割り当てができないので問題であ
る。

【０００７】本発明の目的は、このような点に鑑み、従
来の手法における長所の部分は活かしながら短所を解決
しようとするもので、汎用開発マシン（例えばＵＮＩＸ
マシン）上に、マシンのハードウェア構成およびシステ
ム生成系（ネイティブコンパイラ等）に依存しない、ユ
ーザレベルの関数並列実行環境の構築されたシミュレー
ション装置を実現することにある。本発明の他の目的
は、上記関数並列実行環境を高級言語のみで記述でき、
何らの修正も行わずにハードウェア構成の異なるマシン
上で動作させることのできるシミュレーション装置を実
現することにある。本発明の更に他の目的は、任意のカ
ーネルのメモリ管理機能を使用して、タスクのスタック
エリアの獲得や解放ができ、シミュレーションするカー
ネルの動作を限りなくターゲットに近づけることのでき
るシミュレーション装置を実現することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、汎用開発マシン（１）と、リアル
タイムカーネル部（２０）、このリアルタイムカーネル
部が使用するシステムテーブル（３０）、並列実行関数
が使用する割り込みスタック（４０）を備え、 汎用開発マシンのグローバルＧＯＴＯ機能およびソフ
トウェア割り込み機能を使用し、 前記割り込みスタックをソフトウェア割り込みのスタ
ックとして登録し、 前記グローバルＧＯＴＯ機能およびソフトウェア割り
込み機能を利用して実行コンテキストをセーブまたはリ
ストアし、 並列実行関数がソフトウェア割り込みハンドラの一部
として動作するように構成したシミュレーション環境部
から成ることを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明では汎用開発マシンに備えられているグ
ローバルＧＯＴＯ機能とソフトウェア割り込み機能を利
用して、リアルタイムカーネル内部で行われるタスクの
実行コンテキストの切り換え処理を行う。この時の関数
の呼び出し情報とコンテキストはカーネルが使用するシ
ステムテーブルに定義される。ユーザ使用のソフトウェ
ア割り込みは汎用開発マシンが提供する割り込みである
が、割り込みマスク、割り込みハンドラ、割り込みスタ
ックはユーザが自由に設定できる。システムテーブルお
よび割り込みスタックはユーザメモリ空間にとられ、ユ
ーザにより適宜リード／ライトできる。システムテーブ
ルに並列実行関数呼び出し情報やタスクの起動コンテキ
ストを設定してコンテキスト初期設定用割り込みを発生
させると、汎用開発マシンがスタックを切り換えてコン
テキスト初期設定用割り込みハンドラを呼び出し、実行
する。並列実行関数は、割り込みハンドラからシステム
テーブルの情報をもとに関数呼び出しされる。これによ
り並列実行関数は、汎用開発マシンから見ればユーザが
任意に設定した割り込みスタックを使用してソフトウェ
ア割り込みの割り込みハンドラの一部として動作する。
一度起動された関数はグローバルＧＯＴＯ機能を用いて
中断、切り換え、再開を行う。本発明はこのようにし
て、ユーザレベルの関数並列実行環境を実現している。

【００１０】

【実施例】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明のシミュレーション装置の一実施例を示す
構成図である。図において、１はＵＮＩＸマシン、１０
はそのＵＮＩＸマシン上で動作するシミュレーション環
境部である。シミュレーション環境部１０は、シミュレ
ーションの対象となるアプリケーションタスク１１₁ ，
１１₂ ，．．．，１１_n 、アプリケーションタスクの並
列実行環境を提供するリアルタイムカーネル部２０、リ
アルタイムカーネル部２０が使用するシステムテーブル
３０、タスクが使用する割り込みスタック４０から成
る。なお、メモリや、コンテキスト切り換え、割り込み
制御、Ｉ／Ｏデバイス、システムクロック等はリアルタ
イムカーネル部にはなく、ＵＮＩＸ１に備えられた機能
を利用する。

【００１１】本発明のシミュレーション装置は、ＵＮＩ
Ｘマシン上にリアルタイムシステムのシミュレーション
環境を構築し、従来ターゲット上でしかできなかったリ
アルタイム・プログラムをこのシミュレーション環境上
で実行させデバッグできるようにしたものであるが、こ
のようなシミュレーション環境は従来技術の記載におい
ても述べたように一にコンテキストの切り換えにかかっ
ている。本発明のコンテキスト切り換えは、従来例の説
明における「(2) 汎用開発マシンのグローバルＧＯＴＯ
機能を用いて実現する手法」を改良したものである。以
下主としてコンテキストの切り換えについて説明する。

【００１２】本発明では、ＵＮＩＸマシンのグローバル
ＧＯＴＯ機能とソフトウェア割り込み機能の２種類の機
能を使用して、リアルタイムカーネル部２０で行われる
タスク等の実行コンテキストの切り換え処理を実現す
る。なお、この時の関数の呼び出し情報とコンテキスト
の構造は、図２に示すように、カーネルが使用するシス
テムテーブルの一部として定義される。

【００１３】なお、ＵＮＩＸマシンのグローバルＧＯＴ
Ｏ機能とは、シグナルマスクを扱わない_setjmp() ／_l
ongjmp()関数（ＳＲＶ４の場合は、sigsetjmp() ／sigl
ongjmp()である）を使用して実行コンテキストをセーブ
／リストアする機能である。また、前記ソフトウェア割
り込み機能とはここではユーザが使用可能なソフトウェ
ア割り込みのことである。そしてそのような割り込みは
シグナルであり、シグナル割り込み禁止を設定するシグ
ナルマスクや、シグナル発生時の処理内容を記述するシ
グナルハンドラ、シグナルハンドラ実行時に使用するシ
グナルスタックについてはそれぞれユーザが任意に設定
するようになっている。

【００１４】シグナルスタック４０には、図３に示すよ
うに、システムテーブルの並列実行関数（タスク）呼び
出し情報一時バッファ３１の内容（３１１，．．．３１
４）が積まれる。

【００１５】本発明では、割り込み発生時、汎用開発マ
シンのオペレーティングシステム（ＯＳ）が自動的にス
タックを割り込みスタックに切り換え、割り込みハンド
ラを呼び出す。また、現在の割り込みマスクの取得や変
更が可能であり、それによって割り込み可能なソフトウ
ェア割り込みの種類を限定できる。

【００１６】このような構成における実行コンテキスト
の初期設定やその切り換え処理について次に説明する。
カーネル内の数多くあるコンテキスト処理の中の１つの
例として、新しく生成したタスクを起動する場合を例に
とる。

【００１７】なお、次のコンテキスト初期設定用シグナ
ルハンドラは予め登録されているものとする。 システムテーブル３０の並列実行関数（タスク）の呼
び出し情報（３１１〜３１３）と、コンテキスト格納エ
リアへのポインタ（３１４）を積むに足るスタック量を
シグナルスタック４０上に確保する。 シグナルハンドラのシグナルを発生させる前に、関数
（タスク）の呼び出し用コンテキストの初期化要求側で
設定した関数（タスク）呼び出し情報一時バッファ３１
を、上記で確保したのエリア（シグナルスタック４
０）にコピーする。 呼び出し情報一時バッファ３１からタスク切り換え用
コンテキスト格納エリアへのポインタ（エリア３１４の
格納データ）を取り出して、シグナルスタック４０上の
呼び出し情報格納エリアへのポインタを格納するエリア
４４にセーブする。 _setjmp() を実行し、現在のコンテキストをシステム
テーブル３０のエリア３４２にセーブする。なお、エリ
ア３４２は、スタック４０のエリア４４にある関数（タ
スク）呼び出し用コンテキスト格納エリアのポインタか
らたどって行くことができる。 これで初期設定は完了し、ハンドラを抜ける。 _longjmp()の実行によって上記の_setjmp() を終了
した場合は、次の処理を行う。 ａ）コンテキストにセーブされているタスク実行時のシ
グナルマスク（エリア３４１の内容）を取り出し、現在
のシグナルマスクに設定する。 ｂ）シグナルスタックに積まれているタスクのメイン関
数の呼び出し情報（関数ポインタ、引数の数、第１引
数、第２引数）を基にそのタスクを呼び出す。なお、引
数の個数は２個数に限定されるものではない。

【００１８】次にタスク起動処理の動作について述べ
る。 (1) リアルタイムカーネルのメモリ管理機能を用いてユ
ーザのメモリ空間上にタスクの実行用スタックエリアを
獲得する。 (2) 上記獲得したスタックの伸びる方向（通常アドレス
の減る方向）を考慮して、スタックポインタの初期値を
設定する。 (3) システムテーブル３０内の並列実行関数（タスク）
呼び出し情報一時バッファ３１とタスクのコンテキスト
３４のそれぞれを設定する。すなわち、 タスクのメイン関数へのポインタ （３１１） タスクに渡す引数の数（＝２） （３１２） タスクに渡す第１引数 （３１３） タスクに渡す第２引数 （３１３） タスクの実行切り換え用コンテキスト格納エリアへのポ
インタ （３１４） タスク実行時のシグナルマスク （３４１） をそれぞれ設定する。なお、タスク実行時のシグナルマ
スク３４１がどのタスクコンテキストのものかは、一時
バッファ３１のポインタ３１４によって知ることができ
る。 (4) 上記(2) のタスク実行用スタックをシグナルスタッ
クとして登録する。 (5) シミュレーション環境部からコンテキスト初期設定
用シグナルを発生する。 (6) ＵＮＩＸ１が自動的に上記(4) のシグナルスタック
に切り換えて、コンテキスト初期設定用シグナルハンド
ラを呼び出す。 ここで、上述の登録済シグナルハンドラが実行される。 (7) シグナルハンドラ終了後、シグナル発生元（上記
(5) ）に戻る。 (8) スケジューラを呼び出して次に実行するタスクを選
択する。スケジューラはタスクの実行順序などを決定し
たもので、予め設定されている。なお、スケジューラの
設定および動作については本発明と直接には関係がない
ので、説明を省略してある。 (9) 選択されたタスクへの実行切り換え用コンテキスト
をリストアする。すなわち、_setjmp() でセーブしたデ
ータ（データ構造エリア３４２の内容）を_longjmp()で
リストアする。

【００１９】以上のような動作により、複数のタスクに
ついても同様に処理でき、マルチタスクシステムをシミ
ュレーションすることができる。なお、選択されたタス
クが、いま生成・起動したタスクの場合は、前述のコン
テキスト初期設定用シグナルハンドラのから実行を開
始する。

【００２０】このような本発明の特徴は、上記説明から
既に明らかな通り、マシンのハードウェア構成やシステ
ム生成系には依存しないようになっている点である。更
に詳述すれば次の通りである。 ハードウェア構成に非依存である点 ユーザは、ＯＳが提供するグローバルＧＯＴＯ機能およ
び現在の割り込みマスクの取得や変更に関する関数を使
用して実行コンテキストをセーブ／リストアするため、
マシンのハードウェア構成を意識しなくてよい。また、
並列実行関数の使用スタックエリアはユーザのメモリ空
間に割り当てられ、初期スタックポインタを設定するよ
うになっている。スタックポインタの設定の際、初期ス
タックポインタはスタックの伸びるアドレス方向に影響
するので、図４に示すようなアルゴリズムを用いてスタ
ックの伸びる方向を判別して設定する。 システム生成系に非依存である点 並列実行関数のメイン関数を呼び出す場合は、引数の数
に対応した関数コール（通常のジャンプサブルーチンコ
ール）を行う。これにより、コンパイラ等のシステム生
成系が関数ポインタや関数に渡す引数をスタックにどの
ように積むかを意識しなくてすむ。

【００２１】また本発明は、自由度の高い関数呼び出し
ができるようになっている。すなわち、 図３に示すように並列実行関数の呼び出し情報とその
呼び出し用コンテキストの双方の格納エリアは、他方の
エリアへのポインタを各々持っているため、並列実行関
数を初期設定した後でメイン関数を呼び出すまでの間
に、関数ポインタや、関数に渡す引数、関数実行時のソ
フトウェアの割り込みマスク等の情報を自由に変更でき
る。 並列実行関数の実行時に使用するスタックは、ユーザ
が確保した任意のエリアをソフトウェア割り込みのスタ
ックとして登録できるため、ユーザが用意したメモリ管
理機構を用いてスタックエリアを管理できる。 並列実行関数は、汎用開発マシンから見れば、ユーザ
が任意に設定した割り込みスタックを使用し、ソフトウ
ェア割り込みの割り込みハンドラの一部として動作す
る。

【００２２】なお、本発明のシミュレーション機構はＵ
ＮＩＸマシン上に限ったことはなく、ＭＳ−ＤＯＳ，Ｏ
Ｓ／２，Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ，ＶＭＳ等（いずれも登録
商標）の汎用ＯＳのマシン上においても、ＴＲＯＮ，Ｒ
ＴＥＩＤ，ｐｓｏｓ＋，ＶＲＴＸ３２等のカーネルを含
んだリアルタイムシステムのシミュレーション環境や、
ユーザレベルのスレッドライブラリ（コルーチンライブ
ラリ）を構築することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような効果がある。 ユーザレベルの関数並列実行環境やカーネルを含んだ
マルチタスクシステムをシミュレーションする環境を容
易に構築できる。ハードウェア構成やシステム生成系
（ネイティブコンパイラ等）の異なる汎用開発マシン
（例えばＵＮＩＸマシン）上でも動作させることができ
る。環境を構築するユーザは汎用開発マシンの実行コン
テキストを全く意識する必要がない。要するに本発明
は、ポータビリティを持っている。 ユーザレベルの関数並列実行環境やカーネルを含んだ
マルチタスクシステムをシミュレーションする環境はす
べて高級言語での記述が可能なため、容易にその環境を
構築したり、機能を拡張したりすることができる。換言
すれば、本発明のシミュレーション装置はスケーラビリ
ティに富んでいる。 カーネルを含んだマルチタスクシステムのシミュレー
ション環境は、カーネルのメモリ管理機能を使用して、
タスクのスタックエリアの獲得と解放ができるため、ス
タックの再利用（ガーベッジコレクション）ができる。
そして、シミュレーションするカーネルを限りなくター
ゲットの動作に近似させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシミュレーション装置の一実施例
を示す構成図である。

【図２】システムテーブルの一例を示す図である。

【図３】システムテーブルと割り込みスタックの関係を
示す図である。

【図４】スタックの伸びる方向を判別するアルゴリズム
の一例を示す図である。

【図５】従来のコンテキスト切り換え処理を説明するた
めの動作フローである。

【図６】コンテキストの初期設定の一従来例を示す動作
フローである。

【符号の説明】

１ 汎用開発マシン １０ シミュレーション環境部 ２０ リアルタイムカーネル部 ３０ システムテーブル ４０ シグナルスタック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】汎用開発マシン（１）と、 リアルタイムカーネル部（２０）、このリアルタイムカ
   ーネル部が使用するシステムテーブル（３０）、並列実
   行関数が使用する割り込みスタック（４０）を備え、 汎用開発マシンのグローバルＧＯＴＯ機能およびソフ
   トウェア割り込み機能を使用し、 前記割り込みスタックをソフトウェア割り込みのスタ
   ックとして登録し、 前記グローバルＧＯＴＯ機能およびソフトウェア割り
   込み機能を利用して実行コンテキストをセーブまたはリ
   ストアし、 並列実行関数がソフトウェア割り込みハンドラの一部
   として動作するように構成したシミュレーション環境部
   から成るリアルタイムシステムのシミュレーション装
   置。