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JP2005078244A - プログラム実行方法およびプログラム実行装置 - Google Patents

プログラム実行方法およびプログラム実行装置 Download PDF

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輝彦 上方
Hideo Miyake
英雄 三宅
Atsuhiro Suga
敦浩 須賀
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Abstract

【課題】複数のPE(プロセッサエレメント)による並列処理をより高速かつ効率的に実行すること。
【解決手段】スレッド#0はスレッド#1へ引き渡すデータに、スレッド#1の起動指示を添付してPE#1に送信する。この指示がPE#1のメモリに入力されると、PE#1への割り込みが発生してスレッド#1が起動される。また、スレッド#1はスレッド#0へ引き渡すデータ(処理結果)にスレッド#1の終了通知を添付し、この通知がPE#1のメモリからPE#0へ送出されたのを契機に、PE#0への割り込みが発生し、スレッド#1が終了される。
【選択図】 図3

Description

この発明は、複数のPE(Processing Element:プロセッサエレメント)間で連携してプログラムを実行するプログラム実行方法およびプログラム実行装置に関する。
多種多様な機能を備えた巨大なプログラムを、ひとまとまりの機能を実現する部分プログラムに分割可能に作成しておき、それらのうち必要なものだけを選択的に組み合わせることで、処理の効率化を図る技術は従来から存在していた(たとえば、特許文献1参照。)。
そして近年の計算機システムでは、複数のPEを搭載し、プログラム中の各部分プログラムをこれらのPEに配分することで処理能力の向上を図る例がある。その方式には大別して、PE間でメモリを共有する「共有メモリ型マルチプロセッサ方式(Shared-Memory Multiprocessors)」と、PEごとに専用のメモリを設ける「分散メモリ型マルチプロセッサ方式(Distributed-Memory Multiprocessors)」との2種類がある。
そしてこのようなシステムにおいては、MPI(Message-Passing Interface)などのプロセッサ間通信機構を用いることで、SPMD(Single-Program,Multiple-Data)プログラミングにもとづくプログラムが実行されることが多い。
図7はSPMDプログラミングにもとづいて作成されたプログラム(以下では単に「SPMDプログラム」と呼ぶ)の一例を示す説明図である。図示するプログラムは複数あるPEのそれぞれで実行される。プログラムは同一でも、PEのID(番号)により処理が分岐するので、複数のPEによる並列処理が実現される。たとえば図示するプログラムでは、「myrank」が上記IDを示す変数であり、myrank=0のPE(PE#0)ではTh0(スレッド#0)が、myrank=1のPE(PE#1)ではTh1(スレッド#1)が、myrank=2のPE(PE#2)ではTh2(スレッド#2)が、myrank=3のPE(PE#3)ではTh3(スレッド#3)が、それぞれ実行されることになる。
ただ、少なくとも分散メモリ型マルチプロセッサ方式の場合は、個々のプロセッサが実行するのはプログラムの一部のみ(部分プログラムのみ)であるにもかかわらず、すべてのPEにプログラムの全体が配分されるので、各PEにそれだけの容量のメモリを用意しなければならずコストがかさんでしまう。そこで、プログラムをSPMDでなく、MPMD(Multiple-Program,Multiple-Data)プログラミングにもとづいて作成することが考えられている。
MPMDにもとづくプログラミングでは、SPMDのように各PEにより実行される部分プログラムをすべて結合したようなプログラムでなく、端的にそれぞれのPE向けのプログラムを作成する。図8はPE#0、図9はPE#1、図10はPE#2、図11はPE#3向けのプログラムの一例をそれぞれ示す説明図である。図示するように各PE用のプログラムには、他PE用の部分プログラムが含まれないので、その分各PEのメモリの容量を小さくすることができる(なお、MPMDプログラミングの詳細については下記非特許文献1参照。)。
特開2001−282513号公報 P.パチェコ著 「MPI並列プログラミング」培風館
しかしながら、分散メモリ型マルチプロセッサ方式のもとでMPMDプログラミングにもとづくプログラム(以下では単に「MPMDプログラム」と呼ぶ)を実行する場合、MPIによるプロセッサ間の通信の前/後に、相手先のプロセッサのスレッド(またはタスク、以下同じ)の起動/終了が必要であった。
図8〜図11に示した各プログラムは、相手先のスレッドがすでに起動していることを前提としているが、もし相手先のスレッドが起動されていない場合、たとえば図8のプログラムでは「MPI_Send」を呼び出して他PEにデータを送信する前に、まずスレッド起動用のAPIを呼び出して、当該他PEにスレッドの起動を指示しなければならない。逆に、データを渡して処理を依頼したPEから「MPI_Recv」でその結果を受信した後は、スレッド終了用のAPIを呼び出して、当該PEにスレッドの終了を指示しなければならない。
MPIなどを利用した非同期な遠隔手続き呼び出し(Remote Procedure Call)における、スレッドの起動/終了の概念を図12に、データ転送の概念を図13に示す。図12および図13において、網掛けで示した部分はスレッドが処理を実行している状態、白抜きで示した部分はスレッドが処理を一時停止している状態、直線で示した部分はスレッドが起動されていない状態をそれぞれ意味している。
PE#0上のスレッド#0は、PE#1上のスレッド#1を起動(図12「START」)してスレッド#1による処理の完了を待ち(図12「WAIT」)、当該処理が完了するとスレッド#1を終了する(図12「EXIT」)。
この起動から終了までの間(スレッド#1の起動中)に、スレッド#0は処理に必要なデータをスレッド#1へ送信し(図13上側の「MOVE」)、全データの送信完了まで待ちに入る(図13上側の「WAIT」)。そして送信完了後、スレッド#0はスレッド#1に処理結果を返信するよう指示するとともに(図13下側の「MOVE」)、全データの受信完了まで待ちに入り(図13下側の「WAIT」)、受信完了後に再び処理を開始する。
このように従来技術においては、複数のPEによる並列処理を実現するには、(1)スレッドの起動(2)データの送信(3)データの受信(4)スレッドの終了、という4つの手順を踏む必要があり、これに対応して、MPMDプログラムにも少なくとも4種類の命令が含まれていた。そのため、プロセッサ間で処理を分散するためのオーバーヘッドが大きくなり、それだけ処理時間が長くかかってしまうという問題があった。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、複数のPEによる並列処理をより高速かつ効率的に実行することが可能なプログラム実行方法およびプログラム実行装置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、この発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置は、第1のPEで実行中の第1のプログラムから第2のPEに第2のプログラムを実行させるプログラム実行方法またはプログラム実行装置において、前記第2のPEが、前記第1のプログラムから受信した情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれている場合に、前記第2のプログラムを起動することを特徴とする。
この発明によれば、第1のPEで実行中の第1のプログラムは、第2のプログラムが使用するデータに当該プログラムの起動を意味する値を添付して送信するだけで、すなわち、あらかじめ第2のプログラムを起動しておかなくても、当該送信先のPEのプログラムを起動することができる。
また、この発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置は、さらに前記第2のPEが、前記第1のプログラムへ送信した情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれている場合に、前記第2のプログラムを終了することを特徴とする。
この発明によれば、第1のPEで実行中の第1のプログラムは、第2のプログラムに当該プログラムの終了を意味する値を送信させるだけで、当該送信元のプログラムを終了させることができる。
また、この発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置は、前記第1のプログラムから受信もしくは前記第1のプログラムへ送信した情報中に前記第2のプログラムの起動もしくは終了を意味する値が含まれているか否かを、前記第2のPEのメモリに具備された検出回路により判定することを特徴とする。
この発明によれば、プログラムの起動もしくは終了を専用のハードウエアにより高速に実行することができる。
本発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置によれば、データ転送を契機としてその送信先や送信元のプログラムを起動もしくは終了するので、従来転送命令とは別に必要であった起動命令や終了命令の実行が不要となる分、複数のPEによる並列処理の高速化および効率化を図ることができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
この発明にかかるプログラム実行装置は、具体的には分散メモリ型マルチプロセッサ方式にもとづく計算機システムであり、プロセッサなどから構成されるn個のPEと、各PE専用のn個のメモリとが、相互接続網(Interconnection Network)により接続されている。そして各メモリには、スレッドの起動もしくは終了を意味する所定の値が入力した場合にその事実を検出するとともに、対応するプロセッサへ割り込みをかけて、スレッドを起動もしくは終了させる検出回路が設けられている。
図1および図2は、この発明にかかるプログラム実行装置における、複数PEによる並列処理の手順を模式的に示す説明図である。以下では説明の便宜上n=2とし、PE#0およびPE#1の連携を例として説明するが、n>2の場合も同様の手順となる。
まず、PE#0で実行中のスレッド#0は、PE#1により実行されるスレッド#1に処理を依頼するにあたって、スレッド#1が必要とする入力データをPE#0用のメモリ(以下では「メモリ#0」と呼ぶ)からPE#1用のメモリ(同「メモリ#1」)に送信する。このとき上記データに、スレッドの起動を意味する所定の値を付加する(図1(1))。
そしてこれを受信したメモリ#1の検出回路が、上記所定値を検出してPE#1に対する割り込み信号を発生し(図1(2))、これを受けたPE#1がスレッド#1を起動する。この起動されたスレッド#1が、メモリ#0からメモリ#1に送信されてきたデータを読み出して、所定の処理を実行する。
その後上記処理が終了すると、スレッド#1はメモリ#1に保存した上記処理の処理結果(スレッド#1からの出力データ)に、スレッド#1の終了を意味する所定の値を付加して、メモリ#0に送信し(図2(3))、PE#1によってスレッド#1が終了される(図2(4))。そしてこの受信時に上記所定値を検出したメモリ#0の検出回路が、PE#0に対する割り込み信号を発生する(図2(5))。
図3は、図1のようにして複数PEによる並列処理を実現する場合の各PEの稼働状況を示す説明図である。実行中のスレッド#0からの指示を受けたPE#0が、メモリ#0内のデータおよびスレッド起動指示をPE#1へ送信すると(図3(1))、メモリ#1から割り込みを受けたPE#1によりスレッド#1が起動される(図3(2))。そして、起動したスレッド#1からの指示を受けたPE#1により、メモリ#1内の上記データが読み出されて(図3(3))、これをもとにスレッド#1での処理がおこなわれる。
そしてその処理結果をスレッド#1から受け取ったPE#1(図3(4))が、PE#0に当該データおよびスレッド終了通知を送信する(図3(5))と同時に、PE#1によりスレッド#1が終了される(図3(6))。したがって、スレッド#1は図3(2)から(6)までの間だけ起動状態となる。一方、スレッド#0は終始起動中であるが、スレッド#1の処理結果を待つ間だけ一時停止状態となる(なお、通常スレッド#0はこの待ちの間に、スレッド#1の処理とは無関係な別の処理をおこなうが、ここでは簡略化して説明している)。
図4は、図1のような複数PEによる並列処理を従来技術のMPIを利用して実現する具体例を示す説明図である。図示するようにデータの送信時には「MPI_Send」、データの受信時には「MPI_Recv」を、それぞれ実行中のスレッドから呼び出して利用する。そしてこれらMPIの機能自体は従来技術と同様であるが、起動を意味する特定の値を他のスレッドから受信したときは、特段の指示がなくともスレッドを起動し、終了を意味する特定の値を他のスレッドに送信したときは、特段の指示がなくとも実行中のスレッドを終了する点が、本発明の特徴となっている。
図5は、この発明にかかるプログラム実行装置の機能構成を示す説明図である。図中、実行部500a/501aは各PEのプロセッサにより実現され、後述するスレッド起動/終了部500e/501eにより起動されたスレッドを実行する機能部である。
送信部500b/501bは実行部500a/501aからの指示に従い、後述する記憶部500d/501d内のデータなどを他PEに送信する機能部である。受信部500c/501cは、他PEの送信部500b/501bから送信されてきたデータなどを受信する機能部である。なお、送信部500b/501bあるいは受信部500c/501cは、具体的には実行中のスレッドから呼び出された「MPI_Send」あるいは「MPI_Recv」によりソフトウエア的に実現される。
記憶部500d/501dは各PEのメモリにより実現され、実行部500a/501aにより実行されるスレッドのプログラムコード、他PEに送信するデータや他PEから受信したデータなどを保持する機能部である。スレッド起動/終了部500e/501eは各PEのメモリに具備された検出回路により実現され、スレッドの起動を意味する値が受信部500c/501cから記憶部500d/501dに入力したのを検知すると、実行部500a/501aに指示してスレッドを起動させるとともに、スレッドの終了を意味する値が記憶部500d/501dから送信部500b/501bに出力されたのを検知すると、実行部500a/501aに指示して実行中のスレッドを終了させる機能部である。
図6は、この発明にかかるプログラム実行装置における、複数PEによる並列処理の手順を示すフローチャートである。
まず、PE#0側(処理を依頼する側)の実行部500aは、実行中のスレッド#0からの指示に従い、PE#1側への送信データを作成して記憶部500dに保存する(ステップS601)。この送信データは、具体的には(1)相手先PEに対するスレッドの起動指示(起動指示を意味する所定の値)、および(2)起動された当該スレッドへの入力データ、の二つからなる。
次に、実行部500aからの指示を受けた送信部500bが、記憶部500d内の送信データをPE#1側に送信する(ステップS602)。そして、PE#1側の受信部501cにより受信された上記データは、スレッド起動/終了部501eを経由して記憶部501dに保存されるが(ステップS603)、このときスレッド起動/終了部501eが上記データ中にスレッドの起動指示を検出するのを待って、検出すると(ステップS604:Yes)、スレッド起動/終了部501eからの指示を受けた実行部501aによりスレッド#1が起動される(ステップS605)。
その後、実行部501aはスレッド#1による処理が終了すると、スレッド#1からの指示に従い、PE#0側への送信データを作成して記憶部501dに保存する(ステップS606)。この送信データは、具体的には(1)相手先PEに対するスレッドの終了通知(終了通知を意味する所定の値)、および(2)終了されたスレッドからの出力データ(処理結果)、の二つからなる。
記憶部501d内の送信データはスレッド起動/終了部501eを経由して、実行部501aからの指示を受けた送信部501bによりPE#0側に送信され(ステップS607)、スレッド#1が終了される(ステップS608)。このときスレッド起動/終了部500eが上記データ中にスレッドの終了通知を検出するのを待って、検出すると(ステップS609:Yes)、スレッド起動/終了部500eからの指示を受けた実行部500aによりスレッド#0が終了される(ステップS610)。
以上説明したように、この発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置によれば、データを転送するだけでスレッドを起動もしくは終了できるので、データ転送前に相手先のスレッドの起動(起動用APIの呼び出し)、データ転送後に相手先のスレッドの終了(終了用APIの呼び出し)がそれぞれ必要であった従来技術より、処理の高速化および効率化を図ることが可能である。
なお、上述した実施の形態では、メモリ内の検出回路から割り込みをかけることでスレッドの実行制御をおこなったが、あるいは特定の値の検出時にメモリの特定領域にフラグを立てておき、プロセッサに定期的にこのフラグをチェックさせることで、スレッドの起動/終了を実現させるようにしてもよい。
(付記1)第1のPE(Processing Element)で実行中の第1のプログラムから第2のPEに第2のプログラムを実行させるプログラム実行方法において、
前記第1のプログラムから前記第2のPEに前記第2のプログラムの起動を意味する情報および前記第2のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する送信工程と、
前記送信工程で送信された情報を受信する受信工程と、
前記受信工程で受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれているか否かを判定する判定工程と、
前記判定工程で、前記受信工程で受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のPEで前記第2のプログラムを起動する起動工程と、
を含むことを特徴とするプログラム実行方法。
(付記2)前記起動工程で起動された前記第2のプログラムから前記第1のプログラムに前記第2のプログラムの終了を意味する情報および前記第1のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する第2の送信工程と、
前記第2の送信工程で送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれているか否かを判定する第2の判定工程と、
前記第2の判定工程で、前記第2の送信工程で送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のPEで前記第2のプログラムを終了する終了工程と、
を含むことを特徴とする前記付記1に記載のプログラム実行方法。
(付記3)前記判定工程および前記第2の判定工程では、前記情報中に前記第2のプログラムの起動もしくは終了を意味する情報が含まれているか否かを前記第2のPEのメモリに具備された検出回路により判定することを特徴とする前記付記1または付記2に記載のプログラム実行方法。
(付記4)第1のPEで実行中の第1のプログラムから第2のPEに第2のプログラムを実行させるプログラム実行装置において、
前記第2のPEに前記第2のプログラムの起動を意味する情報および前記第2のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する送信手段と、
前記送信手段により送信された情報を受信する受信手段と、
前記受信手段により受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれているか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により、前記受信手段により受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のプログラムを起動する起動手段と、
を備えることを特徴とするプログラム実行装置。
(付記5)前記起動手段により起動された前記第2のプログラムの終了を意味する情報および前記第1のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する第2の送信手段と、
前記第2の送信手段により送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれているか否かを判定する第2の判定手段と、
前記第2の判定手段により、前記第2の送信手段により送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のプログラムを終了する終了手段と、
を備えることを特徴とする前記付記4に記載のプログラム実行装置。
(付記6)前記判定手段および前記第2の判定手段は、前記第2のPEのメモリに具備された検出回路により実現されることを特徴とする前記付記4または付記5に記載のプログラム実行装置。
本発明にかかるプログラム実行方法およびプログラム実行装置は、複数のPEにより連携して処理をおこなう計算機システムに有用であり、特に、各PE間の通信をMPI呼び出しによりおこなう計算機システムに適している。
この発明にかかるプログラム実行装置における、複数PEによる並列処理の手順(特にスレッドの起動手順)を模式的に示す説明図である。 この発明にかかるプログラム実行装置における、複数PEによる並列処理の手順(特にスレッドの終了手順)を模式的に示す説明図である。 図1のようにして複数PEによる並列処理を実現する場合の各PEの稼働状況を示す説明図である。 図1のような複数PEによる並列処理を従来技術のMPIを利用して実現する具体例を示す説明図である。 この発明にかかるプログラム実行装置の機能構成を示す説明図である。 この発明にかかるプログラム実行装置における、複数PEによる並列処理の手順を示すフローチャートである。 従来技術によるSPMDプログラムの一例を示す説明図である。 従来技術によるMPMDプログラム(PE#0用)の一例を示す説明図である。 従来技術によるMPMDプログラム(PE#1用)の一例を示す説明図である。 従来技術によるMPMDプログラム(PE#2用)の一例を示す説明図である。 従来技術によるMPMDプログラム(PE#3用)の一例を示す説明図である。 従来技術におけるPE間でのスレッドの起動/終了を概念的に示す説明図である。 従来技術におけるPE間でのデータ転送を概念的に示す説明図である。
符号の説明
500a,501a 実行部
500b,501b 送信部
500c,501c 受信部
500d,501d 記憶部
500e,501e スレッド起動/終了部

Claims (5)

  1. 第1のPE(プロセッサエレメント)で実行中の第1のプログラムから第2のPEに第2のプログラムを実行させるプログラム実行方法において、
    前記第1のプログラムから前記第2のPEに前記第2のプログラムの起動を意味する情報および前記第2のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する送信工程と、
    前記送信工程で送信された情報を受信する受信工程と、
    前記受信工程で受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれているか否かを判定する判定工程と、
    前記判定工程で、前記受信工程で受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のPEで前記第2のプログラムを起動する起動工程と、
    を含むことを特徴とするプログラム実行方法。
  2. 前記起動工程で起動された前記第2のプログラムから前記第1のプログラムに前記第2のプログラムの終了を意味する情報および前記第1のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する第2の送信工程と、
    前記第2の送信工程で送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれているか否かを判定する第2の判定工程と、
    前記第2の判定工程で、前記第2の送信工程で送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のPEで前記第2のプログラムを終了する終了工程と、
    を含むことを特徴とする前記請求項1に記載のプログラム実行方法。
  3. 前記判定工程および前記第2の判定工程では、前記情報中に前記第2のプログラムの起動もしくは終了を意味する情報が含まれているか否かを前記第2のPEのメモリに具備された検出回路により判定することを特徴とする前記請求項1または請求項2に記載のプログラム実行方法。
  4. 第1のPEで実行中の第1のプログラムから第2のPEに第2のプログラムを実行させるプログラム実行装置において、
    前記第2のPEに前記第2のプログラムの起動を意味する情報および前記第2のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する送信手段と、
    前記送信手段により送信された情報を受信する受信手段と、
    前記受信手段により受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれているか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段により、前記受信手段により受信された情報中に前記第2のプログラムの起動を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のプログラムを起動する起動手段と、
    を備えることを特徴とするプログラム実行装置。
  5. 前記起動手段により起動された前記第2のプログラムの終了を意味する情報および前記第1のプログラムに引き渡す情報の少なくともいずれかを送信する第2の送信手段と、
    前記第2の送信手段により送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれているか否かを判定する第2の判定手段と、
    前記第2の判定手段により、前記第2の送信手段により送信された情報中に前記第2のプログラムの終了を意味する情報が含まれていると判定された場合に、前記第2のプログラムを終了する終了手段と、
    を備えることを特徴とする前記請求項4に記載のプログラム実行装置。
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