マルチスレッド実験室

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超ミニＢＡＳＩＣ for H8/3048のマルチスレッド化に挑戦してみました。

・発端

　超ミニＢＡＳＩＣをＨ８からＳＨに移植しているときに気付きました。「マルチプロセスやマルチスレッドって意外と簡単じゃないか？」と。
　ＳＨは絶対アドレッシングが弱い（というか、無いに等しい）ＣＰＵです。Ｈ８のようにＢＡＳＩＣインタプリタのワークエリアを絶対アドレッシングでアクセスしていては効率悪くてたまりません。そこで、超ミニＢＡＳＩＣ for ＳＨではワークエリアの先頭番地をＧＢＲに入れておき、ＧＢＲ相対アドレッシングでアクセスしています。

Ｈ８

 
	MOV.B	@SKPFLG,R0L

ＳＨ
（絶対アドレッシング的プログラミング）

 
	MOV.L	A_SKPFLG,R13
	MOV.B	@R13,R0

	:

A_SKPFLG .DATA.L SKPFLG

ＳＨ
（ＧＢＲ相対によるプログラミング）
※ＧＢＲにはWRKTOPの値が入っています

 
	MOV.B	@(SKPFLG-WRKTOP,GBR),R0

　そこでふと気付いたのは、「ＢＡＳＩＣインタプリタのワークエリアを複数用意しておき、ＧＢＲだけ切り替えれば、コンテキストスッチングは簡単なんじゃないか」ということです。

　と、いうわけでマルチスレッド超ミニＢＡＳＩＣをＨ８で作りはじめました。それほど速度が要求されない用途なら組み込み制御などにも使えると思います。

　ＳＨではなくＨ８なのは、とりあえずＨ８のほうがアセンブラでのプログラムが楽だからです。Ｈ８でうまくいったらＳＨにも移植します。ＳＨのＧＢＲのかわりにＥＲ５をスレッドごとのワークエリアのベースにしました。
　マルチプロセスではなくマルチスレッドなのは、私としては現時点ではマルチスレッドの方に興味があるのと、マルチプロセスは大量のメモリを積まないとキツイのではないかと思われるからです。キャラクタ液晶画面のイメージなどもプロセスごとに持つ必要があります。

・なにができるの？

　マルチスレッドができるとどんなことができるかですが、たとえば７セグメントＬＥＤ複数桁をダイナミック点灯したいとします。この場合、ＬＥＤの桁スキャン専用のスレッドを作ってそれにまかせておけば、メインのプログラムは本来の処理に専念できます。従来、そういうことをするにはマシン語でタイマ割り込みなどを使わなければいけなかったのですが、ＢＡＳＩＣがマルチスレッドになればオールＢＡＳＩＣで簡単にできます。

・スレッドとは

　あまり馴染みの無い言葉でしたが、某巨大掲示板のおかげで最近はあちこちで目につきますね。「スレッド(thread)」の本来の意味は「織物の糸」です。コンピュータ用語としてのスレッドは、ＯＳ、言語によって微妙に定義が異なりますが、おおむね同一プログラムの中の、１つの連なった処理の流れを意味するようです。

・ステムスレッドとブランチスレッド

　マルチスレッド超ミニＢＡＳＩＣでは、「ステムスレッド」と「ブランチスレッド」の２種類のスレッドがあります。「ステム(stem)」は「幹」、「ブランチ(branch)」は「枝」の意味です。一つのプログラムの中に唯１つのステムスレッドと複数のブランチスレッドが存在します。
　ＲＵＮしたとき最初に走り出す、一番小さい行番号から始まる処理の流れをステムスレッドと呼びます。ＳＴＡＲＴ文で起動された処理の流れをブランチスレッドと呼びます。

　ステムスレッドとブランチスレッドではＥＮＤ文の働きが異なります。ブランチスレッドでＥＮＤ文を実行するとそのスレッドが終了するだけですが、ステムスレッドでＥＮＤ文を実行するとプログラム全体が終了します。木の枝を折りとっても幹は倒れませんが、幹を倒せば枝もすべて倒れる、というのをイメージするとわかりやすいです。


ステムスレッドとブランチスレッドのイメージ図

・とりあえずアルファ版

　標準版の超ミニＢＡＳＩＣ for H8/3048 をほとんどそのままマルチスレッド化しました。スレッドは４つまで同時に走ります。４つって少ないようですが、しょせんＢＡＳＩＣインタプリタですからあまり無理をしないほうがよいでしょう。

　コンテキストスイッチングは文を１つ実行するごとに行われます。
※ＰＲＩＮＴ文の使用には注意してください。９６００ボーだと１文字表示するのに約１ミリ秒かかります。たとえば１つのＰＲＩＮＴ文で１００文字くらいの文字列を出力すると、約０．１秒の間コンテキストスイッチングは行われません。

・変数は、全スレッドで共通です。たった２６個の変数を４つのスレッドでわけ合うのでけっこうキビシイです。次のバージョンではスレッドごとに変数を独立させるとか、何らかの対策をします。
・メモリ、Ｉ／Ｏなどの排他制御は全くしていません。別のスレッドで同じ番地をアクセスして不具合がおこらないよう、注意してプログラムを組みます。
・実は、ＩＮＰＵＴ文やＧＥＴＣ関数でキー入力待ちになるとすべてのスレッドが止まります。これも次のバージョンでなんとかしたいところです。

マルチスレッド超ミニＢＡＳＩＣ for H8/3048 α版をダウンロードする


ダウンロードしたファイルは＋Ｌｈａｃａ、Ｗｉｎｚｉｐなどの解凍ソフトで解凍してください。
※このアーカイブ中にはソースプログラム（mcmb3048.mar）と実行プログラム（mcmb3048.mot）しか入っていません。このページを見ていない人には使い方がわからないので、他で再配布しないでください。

・動かしてみよう

次のプログラムを動かしてみます。
 10 FOR I=1 TO 10
 20   PRINT "I=",I
 30   IF(I=5) START *THRE1
 40 NEXT
 50 END
100 *THRE1
110 FOR J=1 TO 10
120   PRINT "        J=",J
130 NEXT
140 END

実行結果
I= 1
I= 2
I= 3
I= 4
I= 5
I= 6
        J= 1
I= 7
        J= 2
        J= 3
I= 8
        J= 4
I= 9
        J= 5
        J= 6
I= 10
        J= 7

　ステムスレッドとブランチスレッドが並列に動作しているのがわかると思います。おや、しかしブランチスレッドは最後まで実行されていませんね。これはステムスレッドが先に終了してしまっているからです。ステムスレッドの５０番以降を次のように直しましょう。
50 WAIT THREADS(0)<2
60 END

もう一度実行してみましょう。
I= 1
I= 2
I= 3
I= 4
I= 5
I= 6
        J= 1
I= 7
        J= 2
        J= 3
I= 8
        J= 4
I= 9
        J= 5
        J= 6
I= 10
        J= 7
        J= 8
        J= 9
        J= 10

　今度は大丈夫ですね。

・文法の説明

　このページではマルチスレッド関連の文・関数のみ説明します。他の、マルチスレッドとは関係ない文・関数については標準版と同じなのでこちらをご覧ください。

追加された文・関数

《　ＥＮＡＣＳ文　》

書式：

　コンテキストスイッチングを許可します。複数のスレッドが走っている場合、各スレッドに順に実行権が行き渡るようになります。
　なお、ＲＵＮ直後はデフォルトでコンテキストスイッチングは「許可」になっています。
　ＥＮＡＣＳ文はダイレクトモードでは実行できません。

《　ＤＩＳＣＳ文　》

書式：

　コンテキストスイッチングを禁止します。他のスレッドに割り込まれたくないときに使用します。ＥＮＡＣＳ文を実行するまで他のスレッドに実行権は移りません。
　ＤＩＳＣＳ文はダイレクトモードでは実行できません。

《　ＳＴＡＲＴ文　》

書式：

　ブランチスレッドを起動します。*＜ラベル＞で指定された行以降がブランチスレッドとして動きます。ＳＴＡＲＴ文を実行した元スレッドもそのまま実行を続けます。
　ＳＴＡＲＴ文はダイレクトモードでは実行できません。

《　ＷＡＩＴ文　》

書式：

　＜式＞の値が０以外になるまで待ちます。コンテキストスイッチが許可になっていれば待っている間も他のスレッドに実行権は行き渡ります。

《　ＴＨＲＥＡＤＳ関数　》

書式：

　現在走っているスレッド数を返します。返る値は１〜４です（ステムスレッドは常に走っているので０が返ることはありえません）
　＜式＞の値は現バージョンでは無意味ですが、０を指定してください。
　この関数は、すべてのブランチスレッドが終了したのを確認からステムスレッドを終了したい場合などに使います。

標準版と機能が異なる文

《　ＥＮＤ文　》

書式：

　ステムスレッドで実行するとプログラム全体が終了します。ブランチスレッドで実行するとそのスレッドだけを終了させ、コンテキストスイッチングを許可にします。

エラーメッセージ

OUT OF THREAD SPACE

すでに４つスレッドが走っているのに、さらにスレッドを起動しようとした

BAD MODE

ＥＮＡＣＳ文、ＤＩＳＣＳ文、ＳＴＡＲＴ文をダイレクトモードで実行しようとした