JPH0895807A

JPH0895807A - タスク実行制御方法

Info

Publication number: JPH0895807A
Application number: JP6226708A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Takano; 正利高野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-21
Filing date: 1994-09-21
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】優先度の高いタスクが処理待ち状態になるの
を防止する。【構成】優先度の高いタスクτ３と、優先度の低いタ
スクτ１を実行するが、これらτ３、τ１は、資源を共
有するために排他制御が行われる部分（クリティカルセ
クション）を有している。そして、優先度の低いタスク
τ１がクリティカルセクションに入ろうとするときに、
そのクリティカルセクションの終了までの時間ｔ１と、
τ３におけるクリティカルセクションの実行予定時刻ま
での時間ｔ３とを比較する。そして、ｔ３＜ｔ１の場合
は、τ１はクリティカルセクションの実行に入らない。
このため、τ３は、処理待ち状態となることなく、クリ
ティカルセクション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、コンピュータ資源を共
有するために排他制御が必要なクリティカルセクション
を有する複数のタスクの実行を各タスクの優先順位に応
じて制御するタスク実行制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のコンピュータ技術などの進歩に伴
い、各種分野においてコンピュータ制御が利用されるよ
うになってきている。例えば、プラント制御システム、
ファクトリーオートメーションシステムなどにおいて、
各種センサからのデータに応じて各種機器の動作を制御
している。

【０００３】このようなシステムにおいては、現実に起
こる事象に応じて、リアルタイムでコンピュータが処理
を行わなければならない仕事（タスク）も多く、コンピ
ュータにおける計算処理が実行される時間に関する制約
が満足されることを厳密に保証することが要求される。

【０００４】一方、各種通信制御装置やデータテーブル
等のコンピュータ資源では、単一のタスクを実行するこ
とを基本としており、これら資源を複数のタスクにおい
て、共有する場合には、いずれか１つのタスクがその資
源を占有する。そこで、多数のタスクを実行する場合
に、コンピュータ資源を共有するタスクでは、その資源
の排他制御が必要となる。

【０００５】ここで、タスクには、その内容に応じて、
応答までの時間を厳密に保証しなければならないタスク
と、応答が遅れてもよいタスクがあり、タスク毎の優先
度が決まっている。従って、優先度の高いタスクから実
行しなければならない。

【０００６】もし、優先度の低いタスクが資源を占有
（ロック）していた場合には、その資源を使用しようと
しているタスクは、優先度の高いタスクであってもその
処理が終了するまで待たされることになる。このような
優先度の高いタスクが優先度の低いタスクの処理によ
り、待たされてしまうプライオリティインバージョンが
発生すると要求されている応答時間（保証した応答時
間）の制約が満足できなくなる。

【０００７】例えば、３つのタスクτ１、τ２、τ３が
あり、優先度がτ１、τ２、τ３の順番であったとし、
タスクτ１とτ３に資源を共有するため、一方のタスク
が資源を占有する期間が存在したとする。この場合、共
有する資源を保護するために、１つのタスクが資源を使
用する仕事を実行するときには、その資源をロックし、
実行が終了した時にロックを解除する。なお、このよう
な資源のロック・アンロックによる排他制御をセマフォ
処理といい、資源のロックをセマフォの獲得、資源のア
ンロックをセマフォの解放という。また、資源をロック
している期間をクリティカルセクションという。

【０００８】そして、タスクτ３がセマフォを獲得し、
クリティカルセクションに入った後に、タスクτ１が同
一の資源のセマフォを獲得しようとしたとする。この場
合、τ３がセマフォをロックしているため、τ１はこれ
を獲得できず、タスクτ１は待機状態になる。この状態
で、タスクτ２が起動されると、タスクτ２はタスクτ
３より優先度が高く、かつロックされている資源がない
ため、タスクτ３に優先して実行される。従って、タス
クτ３は、待機状態となり、タスクτ２の処理終了後に
再度実行を開始することになる。そこで、タスクτ１
は、タスクτ２の処理終了後であって、タスクτ３のク
リティカルセクションの終了後初めて実行されることに
なり、プライオリティインバージョンが発生する。

【０００９】このようなプライオリティインバージョン
の発生を回避するために、従来より次の３つの方法が開
発もしくは実行されている。

【００１０】１）プライオリティインヘリタンス（優先
度継承方式）低い優先度のタスクがセマフォを獲得しクリティカルセ
クションに入っている（他と共有する資源をロックして
いる）時に、高い優先度のタスクがロックされている資
源を使用するクリティカルセクションに入ろうとした場
合には、実行中のタスクにこの高い優先度を一時的に与
え、クリティカルセクションの処理を早く終了させる。

【００１１】２）リスタータブルクリティカルセクショ
ン方式１）のケースで低い優先度τ３のクリティカルセクショ
ンを強制終了させてしまい、高い優先度のタスクτ１の
実行後、τ３のクリティカルセクションを再実行する。

【００１２】３）プライオリティセイリング（優先度上
限方式）１）の優先度継承方式では、複数資源の共有の場合に問
題が生じる。そこで、この優先度上限方式では、各セマ
フォに対し、そのセマフォをロックする可能性のあるタ
スクτの中の最高の優先度を優先度上限として定義して
おく。そして、１つのタスクがクリティカルセクション
に入ろうとするとき、τ以外のタスクによって現在ロッ
クされている全てのセマフォの優先度上限と自己の優先
度を比較し、自己の優先度の方が高くなければ実行は待
たされる。これによって複数のセマフォがロックされて
いるときのタスクの実行順を制御して複数の資源を共有
する場合の問題を解消できる。

【００１３】このようにして、セマフォ処理を行うこと
によって、資源を共有するタスクにおけるクリティカル
セクションを管理して、優先度の高いタスクの待ち時間
を最低限にすることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記１）、
３）のケースでは、高い優先度のタスクがクリティカル
セクションに入ろうとし、セマフォを獲得できなかった
時には、最低１つの低いタスクのクリティカルセクショ
ンが実行される。そのため、高い優先度のタスクの実行
時間には、低い優先度のタスクのクリティカルセクショ
ンの実行時間分が含まれ、応答遅れを招くという問題点
があった。

【００１５】また、２）のケースでも、高い優先度のタ
スクの実行時に、低いタスクの終了処理にかかる時間が
含まれる。そこで、１）、３）の場合と同様に、ある程
度の応答時間が延びるという問題点があった。

【００１６】優先度の高いタスクにおける応答時間につ
いての要求は、益々厳しくなっており、より応答遅れの
少ないシステムが要求されている。

【００１７】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、優先度の高いタスクにおける待ち時間をさらに減
少させ、もっとも優先度の高いタスクにあっては待ち時
間を実質的に０にできる制御方法を提供することを目的
とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、コンピュータ
資源を共有するために排他制御が必要なクリティカルセ
クションを有する複数のタスクの実行を制御するタスク
実行制御方法であって、予めタスク毎に優先順位を付与
しておき、各タスクがクリティカルセクションに入る前
に、当該タスクのクリティカルセクションの時間と、当
該タスクよりも優先度の高い他のタスクにおける同一の
資源を利用するクリティカルセクションの開始までの時
間を比較し、当該タスクのクリティカルセクションの時
間の方が上記他のタスクの上記クリティカルセクション
の開始までの時間より短い場合にのみ、当該タスクにお
いてクリティカルセクションに入ることを特徴とする。

【００１９】

【作用】まず、従来の各方式において、優先度の高いタ
スクにおいて、待ち時間が発生する理由について、検討
した。これより、優先度の高いタスクがクリティカルセ
クションの処理に入るときに初めて、他の優先度の低い
タスクがその資源をロックしていることが判明し、その
時にプライオリティインバージョンが発生しないような
対策をとっているためであることが判明した。すなわ
ち、優先度の低いタスクがセマフォを獲得しクリティカ
ルセクションに入っているときに、優先度が高いタスク
がそのセマフォを獲得しようとした場合には、優先度の
高いタスクの実行において、必ず待ち時間が生じ、応答
遅れが生じる。

【００２０】一方、プラントの制御等においては、優先
度の高いタスクは定期的に実行されるものであり、この
実行はスケジューラによって、管理されている。そこ
で、優先度の低いタスクにおいて、セマフォを獲得しよ
うとする際に、このセマフォを獲得しようとする優先度
の高いタスクがあるか否かは判定できる。

【００２１】そこで、本発明では、各タスク資源を占有
し（セマフォを獲得し）、クリティカルセクションに入
ろうとする際に、競合するタスクがあるか否かを判定す
る。すなわち、当該クリティカルセクションの終了前
に、ロックするセマフォを獲得しようとするより優先度
の高いタスクがあるか否かを判定する。そして、優先度
の高いタスクが、獲得しようとするセマフォは獲得しな
い。そこで、優先度が高いタスクがセマフォを確実に獲
得でき、待ち時間がなくなる。

【００２２】特に、定期的に処理が行われる等の理由
で、予め実行時間が分かるタスクであって優先度の高い
タスクについて、これより優先度の低いタスクが、この
優先度の高いタスクが使用するセマフォを獲得しようと
するときに、上記判定を行うことが有効である。この場
合、優先度の低いタスク間等では、優先度継承方式など
従来の方式によりセマフォ処理を行う。

【００２３】このように、本発明によれば、優先度の低
いタスクが他のタスクと共有する資源をロックするクリ
ティカルセクションに入ろうとする時に、そのクリティ
カルセクションの終了するまでに、他の優先度のより高
いタスクがロックされる資源を使用するクリティカルセ
クションに入ろうとするかを判定する。そして、このよ
うな優先度の高いタスクが存在した場合には、優先度の
低いタスクはそのクリティカルセクションに入らない。
従って、優先度の高いタスクは、待ち時間なしでクリテ
ィカルセクションに入ることができ、所定の早い応答を
保証することができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面に基づ
いて説明する。図１は、ホスト１の階層構造を示したブ
ロック図であり、ディスク、通信制制御装置、入出力装
置等のハードウェア２に接続されたＣＰＵ・メモリ３
と、このＣＰＵメモリが動作する基本システムとなるＯ
Ｓ（オペレーションシステム）４と、このＯＳ上での実
際の動作を規定するアプリケーションプログラム５から
なっている。ここで、各タスクは、アプリケーションプ
ログラムに記載されている。

【００２５】各タスクの実行は、ＣＰＵ・メモリ３がＯ
Ｓ４の上でアプリケーションプログラムを実行して、ハ
ードウェア２を介し各種のローカルステーションと通信
を行う。

【００２６】そして、アプリケーションプログラム５の
タスクの中にスケジュールを見直すための関数が埋め込
んであり、この実行によって、ＣＰＵ・メモリ３が、タ
スク実行のスケジュール管理を行う。従って、タスク管
理スケジューラが、図に示すように、ＣＰＵ・メモリ
３、ＯＳ４、アプリケーションプログラム５で構成され
ることになる。なお、スケジュールを見直すための関数
自体は，ＯＳ４に書いておき、アプリケーションで、こ
の関数を呼んでもよい。

【００２７】図２に、タスク実行のための全体システム
構成を示す。ホストコンピュータ１とローカルステーシ
ョンＬＳＴｉ７０、ＬＳＴｊ８０とは、通信回線５０で
接続されている。そして、ホスト１の内部には、通信制
御装置１０がもうけられ、これによってホスト１と通信
回線５０との間データの交換（通信）が可能になってい
る。なお、各ローカルステーション７０、８０も通信制
御装置を内蔵している。このように、ホスト１と、複数
のローカルステーションＬＳＴ７０、８０を接続して、
分散システムが形成されている。なお、本発明の対象
は、特に分散システムでなくてもよく、マルチタスクの
リアルタイムシステムであれば、対象となる。

【００２８】そして、図２における２０〜３４のそれぞ
れの単位が実行されるソフトウェアモジュール（タス
ク）であり、これらタスク２０〜３４がホスト１におい
て実行される。ここで、タスク２０〜２１は、ＬＳＴ７
０，８０への送信、タスク２２、２３は、ＬＳＴ７０，
８０からの受信、タスク３０、３１、３２はＬＳＴ７
０，８０毎のデータ入力、タスク３３はＬＳＴ７０、８
０毎の異常データ処理、タスク３４はＬＳＴ７０、８０
毎の発停制御処理である。

【００２９】また、データテーブル４０、４１は、デー
タ入力タスク３０〜３２におけるデータを記憶するもの
である。

【００３０】ホスト１は、各タスクを実行するが、この
際、通信制御装置１０やデータテーブル４０、４１など
のコンピュータ資源を複数のタスクが共有する。すなわ
ち、送信タスク２１、２１、受信タスク２２、２３は、
１つの通信制御装置１０を共有し、データ入力タスク３
０〜３２は、データテーブル４０、４１を共有する。従
って、ホスト１が各タスクを実行する際に、供給する資
源についての排他制御が必要となる。

【００３１】例えば、図２の送信タスク２０と２１が、
実際の通信時に、共通の資源である通信制御装置１０を
使用することになり、１０の排他制御（セマフォ処理）
が必要になる。

【００３２】本発明は、このような各タスク間で資源を
共有する場合の排他制御（あるタスクがその資源を使用
しているときは他のタスクの使用を禁止する）時のプラ
イオリティインバージョンの対策を優先度の高いタスク
の実行時間を長引かせることなく行うものである。

【００３３】図３に、本実施例のソフトウェアのフロー
チャートを示し、その時のタスクの挙動を図４に示す。
この例において、τ３は、優先度の高いタスク、τ１は
優先度の低いタスクとする。

【００３４】その処理フローを図３に基づいて説明す
る。まずタスクτ１を実行しており、このタスクの中
で、クリティカルセクションに入るとする（Ｓ１１
０）。この場合、ロックしようとするセマフォが他の優
先度の高いタスクに使われる可能性があるかをチェック
する（Ｓ１１５、Ｓ１２０）。ホスト１のスケジュール
管理において、周期的に実行される周期タスクであるτ
３の実行予定時刻は予めわかっているため、このＳ１１
５において、タスクτ３が、このセマフォを使用する予
定があることが分かる。そこで、τ３が使用するまでの
余裕時間ｔ３とτ１のクリティカルセクションの処理時
間ｔ１とを比較する（Ｓ１２５）。そして、余裕時間ｔ
３の方がクリティカルセクションの処理時間ｔ１より、
長ければ（ｔ３＞ｔ１）、τ１がクリティカルセクショ
ンに入ってもその終了後にτ３のクリティカルセクショ
ンとなり、τ３の実行時間を延ばすことはない。そこ
で、τ１が通信制御装置１０についてのセマフォを獲得
し、クリティカルセクションに入り、処理を実行する
（Ｓ１３５）。

【００３５】一方、Ｓ１２５において、余裕時間ｔ３の
方がクリティカルセクションの処理時間ｔ１より短い場
合（ｔ３＜ｔ１）、このままセマフォを取得するとτ１
のクリティカルセクション中にτ３がクリティカルセク
ションに入る処理（セマフォの取得）をすることにな
り、τ３がセマフォを獲得できないために、τ３の実行
が遅れることになる。そこで、これを防止するために、
τ１はクリティカルセクションに入らず（セマフォを取
得せず）、τ３が終了するまで実行を中断する（サスペ
ンド）。

【００３６】このような処理よって、優先度の高いタス
クτ３は、処理において何の負担もかかることなく、す
なわち処理時間が延びることなく、自己のタスクの処理
のみ実行できる。

【００３７】なお、Ｓ１１５で他の優先度の高いタスク
がそのセマフォを使用しない場合は、Ｓ１３５に移り、
タスクτ１がそのまま実行される。

【００３８】ここで、余裕時間ｔ３は、下記のように算
出される。

【００３９】ｔ３＝Ｔｒｅｍ（τ３の次の実行時間まで
の残り時間）＋ｔ_３−１（τ３がクリティカルセクショ
ンに入るまでの時間）例えば、図２におけるタスク２０を図４のτ３、タスク
２１をτ１とすると、タスクの実行優先度はτ３のほう
が高く、つまりＬＳＴｉとの通信のタスク２０の要求が
きた時には２１よりもより早い実行が期待される。そこ
で、タスク２１におけるクリティカルセクションの実行
に入ろうとする場合には、タスク２０のクリティカルセ
クションの実行予定時刻までにタスク２１のクリティカ
ルセクションが終了するかを判定し、終了する場合にの
みタスク２１がクリティカルセクションの実行に入る。

【００４０】このような処理の状態を図４に示す。タス
クτ３は、周期Ｔで繰り返し実行される周期タスクであ
る。そして、タスクτ３は、その実行開始後ｔ_３−１の
時間経過後、τ１と資源を共有するクリティカルセクシ
ョンの実行に入る。一方、タスクτ１は、実行に入り、
何らかの処理の後、クリティカルセクションに入る。そ
して、このτ１におけるクリティカルセクションは、ｔ
１で終了する。本実施例では、τ１がクリティカルセク
ションに入ろうとするときに、τ３がクリティカルセク
ションに入ろうとする迄の時間ｔ３と、自己のクリティ
カルセクション終了までの時間ｔ１を比較する。そし
て、ｔ１＞ｔ３の場合は、クリティカルセクションに入
らず、待機状態となる。従って、τ３がタスクの実行に
入った場合には、予定通りセマフォを獲得して、クリテ
ィカルセクションに入ることができる。なお、τ１はτ
３のタスク終了後、τ３のクリティカルセクションのじ
ゃまをしない条件で、自己のクリティカルセクションを
実行する。

【００４１】ここで、本実施例では、τ３が周期タスク
であることを前提としているが、余裕時間を予測できれ
ば非周期タスクでも、本実施例のような制御が可能であ
る。

【００４２】クリティカルセクションの処理が長い場合
（例えば非常に遅い通信手段を使った通信装置に対する
セマフォの場合）には、優先度の低いタスクが一旦その
セマフォを取得し、実行を始めるとクリティカルセクシ
ョンの終了にかなりの時間がかかってしまい、優先度の
高いタスクの処理が、全く間に合わなくなる。しかし、
本実施例によれば、優先度の高いタスクの次のクリティ
カルセクションまでの余裕時間が少ない場合には、優先
度の低いタスクはそのクリティカルセクションには入ら
ない。そこで、優先度の高いタスクは、クリティカルセ
クションの長い短いに関わらず、いつでもどんな資源で
あろうとも、同じ時間内で応答することになる。これに
より、処理内容によって、使う資源の違うようなタスク
であっても、優先度の高いタスクのクリティカルセクシ
ョンへ入るまでの時間を全く同じに保てるという効果も
得られる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、優先度の高いタスクの
次のクリティカルセクションまでの余裕時間が少ない場
合には、優先度の低いタスクはそのクリティカルセクシ
ョンには入らない。そこで、優先度の低いタスクが資源
をロックしているために、優先度の高いタスクの応答が
遅れてしまうという事態の発生を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例におけるホストの構成を示すブロック図
である。

【図２】タスクと資源の関係を示すブロック図である。

【図３】実施例の動作を示すフローチャートである。

【図４】実施例におけるタスク実行のタイミングチャー
トである。

【符号の説明】

１ホスト１０通信制御装置２０、２１送信タスク２２、２３受信タスク３０〜３２データ入力タスク３３異常データ処理タスク７０、８０ローカルステーション（ＬＳＴ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンピュータ資源を共有するために排他
制御が必要なクリティカルセクションを有する複数のタ
スクの実行を制御するタスク実行制御方法であって、予めタスク毎に優先順位を付与しておき、各タスクがクリティカルセクションに入る前に、当該タ
スクのクリティカルセクションの時間と、当該タスクよ
りも優先度の高い他のタスクにおける同一の資源を利用
するクリティカルセクションの開始までの時間を比較
し、当該タスクのクリティカルセクションの時間の方が上記
他のタスクの上記クリティカルセクションの開始までの
時間より短い場合にのみ、当該タスクにおいてクリティ
カルセクションに入ることを特徴とするタスク実行制御
方法。