4.1　PPEとSPEの通信機能

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　第3章でも解説したとおり、SPEは、PPEや他のSPEとデータを受け渡しする際にはMFCと呼ばれるユニットを利用します。第3.3節では、MFCが提供する機構の1つとして、DMA転送によるデータの受け渡しについて解説しました。

　ここでは、SPEが外界 (PPEや他のSPEなど) と通信するための代表的な機構として、MFCが提供する「メールボックス」と「シグナル通知レジスタ」と呼ばれる機構と、SPEの「ストップ・アンド・シグナル命令」について解説します。

　メールボックスは、PPEとSPE間で通信するための機構の1つです。DMA転送では、メインメモリとLSとの間で最大16Kバイトのデータを受け渡しできました。一方、メールボックスでは、より小さな32ビットデータを受け渡します。

　メールボックスは、ステータス、パラメータなどの小さなデータ転送に適しています。PPEとSPEとの間で双方向のデータの受け渡しが可能です。メールボックスは、FIFOキュー構造になっており、図 4.1に示すように受け渡しの方向と振る舞いによって3種類のキューを提供しています。

図 4.1 メールボックス

　これらのメールボックスは、SPEプログラムおよびPPEプログラムからアクセスすることができます。SPEプログラムがメールボックスにアクセスする場合は、チャネル・インタフェースを利用します。PPEプログラムがメールボックスにアクセスする場合は、libspe2が提供するメールボックス用APIを利用します。詳細については、以下のドキュメントの各項目を参照してください。

　SPU シグナル通知レジスタ (以下、SNR) は、PPEからSPEへ、もしくはSPE間で制御メッセージやイベントをシグナルとして通知するために利用されます。SNRは、32ビットのレジスタで、各SPEに対して2つずつ備わっています。

　シグナルを送信する側のPPEやSPEは、シグナルを受信する側のSNRに対して32ビット長のデータをシグナル値として書き込みます。シグナルを受信するSPEは、SNRからシグナル値を読み出します。SNR内のシグナル値を読み出すと、SNRの全てのビットは0にリセットされます。もし、SNRにシグナルが到着していない時に、SPEプログラムがSNRからシグナル値を読み出そうとした場合、SPEプログラムはシグナルを受信するまで待ち続けます。

　シグナルとして送信される32ビットデータの各ビットは、SPEプログラム側が自由に意味を持たせることができます。各ビットに対して固有の意味を持たせることで、SPEに対して処理の完了やステータスの変更通知などがおこなえます。SNRには、シグナルを受信するモードとして、「上書きモード」と「論理ORモード」の2種類の動作モードがあります。2つのSNRそれぞれ個別に動作モードを設定できます。上書きモードは1対1のシグナル通知に、論理ORモードは多対1のシグナル通知に適しています。

　図 4.2に、SNRの2つの動作モードの違いを示します。

図 4.2 SPU シグナル通知動作モード

　SNRは、SPUインバウンド・メールボックスと非常に似ています。大きな違いとしては、メールボックスはPPEとSPEのデータの受け渡しに利用されますが、SNRはSPE間のデータの受け渡しにも利用されます。また、論理ORモードで動作するSNRを利用することで、多対1のデータの受け渡しをすることできますので、複数のSPEプログラムの待ち合わせ (バリア同期) などに利用できます。

　SNRへのシグナル送信方法は、PPEプログラムとSPEプログラムで異なります。PPEプログラムがSNRへシグナルを送信する場合は、libpse2のシグナル送信用APIを利用します。SPEプログラムがSNRへシグナルを送信する場合は、シグナル送信専用のDMA転送コマンド (SNDSIG) を用いて、実効アドレス上にマッピングされた送信先SNRの実効アドレスへシグナルを送信します。SNRの実効アドレスを取得するためには、libspe2が提供するダイレクトSPEアクセス用APIを利用します。また、シグナルを受信したSPEプログラムは、チャネル・インタフェースを利用してSNRに到着したシグナル値を読み出します。詳細については、以下のドキュメントの各項目を参照してください。

　ストップ・アンド・シグナル命令は、実行中のSPEプログラムを一時停止もしくは終了し、PPEプログラム側に実行スレッドを戻す場合に利用されます。SPEがストップ・アンド・シグナル命令を実行すると、SPEプログラムの処理は停止され、PPEへストップ・アンド・シグナル命令トラップと呼ばれる割り込みが通知されます。割り込み通知を受けたPPEは、割り込みに応じた処理を実行することができます。

　このストップ・アンド・シグナル命令は、プログラマ自身が意識しないところで、さまざまな処理を実現するために利用されています。主なケースとしては、SPEプログラムのmain()関数からの復帰や、exit()関数の実装に利用されています。ストップ・アンド・シグナル命令を利用しているものとしては、以下のような機能があります。

　上述の3つのユースケースはシステム側が提供する仕組みの代表例です。これら以外にも、プログラマ自身がストップ・アンド・シグナル命令を利用し、PPEプログラムへ処理を移すこともできます。詳細については、「SPE Runtime Management Library Version 2.1」の第6章「SPE Event handling」および「C/C++ Language Extensions for Cell Broadband Engine Architecture」を参照してください。

　ストップ･アンド・シグナル命令を利用することにより、PPEの割り込み通知時にSPEプログラムは14ビットのシグナル・タイプをPPEプログラムへ渡すことができます。Linuxにおけるシグナル・タイプ区分は、以下のように定義されます。

　0x0000を除く0x0001～0x1fffの範囲を利用して、ユーザはPPEプログラムと連携した独自の処理をプログラムすることができます。表 4.2に、Linux上で予約済みのシグナル・タイプ一覧を示します。

表 4.2 Linux予約済みシグナル・タイプ一覧

シグナル・タイプ	説明
0x0000	データが命令として実行された
0x2000～0x20ff	Linuxにおけるmain()関数もしくはexit()関数からの返値 0x2000: EXIT_SUCCESS 0x2001: EXIT_FAILURE
0x2100～0x21ff	LinuxにおけるPPEコールバックハンドラ 0x2100: ISO/IEC C Standard 9899:1999 (C99) 0x2101: POSIX.1 (IEEE Standard 1003.1) 0x2102: POSIX.4 0x2103: オペレーティング・システム依存のシステムコール
0x3ffe	スタックオーバフロー検知
0x3fff	デバッガ用ブレイクポイント

　MFCについては、この他にもさまざまな機構を供えています。MFCが提供する機能についてさらに学習したい方は、「Cell Broadband Engine Architecture」の第7章「MFC Commands」および「C/C++ Language Extensions for Cell Broadband Engine Architecture」の第4章「Programming Support for MFC Input and Output」を参照してください。

　また、libspe2では、これらのMFC機能をPPEプログラムから利用することができます。libspe2でのMFC機構の使用方法については、「SPE Runtime Management Library Version 2.1」の第7章「SPE MFC problem state facilities」を参照してください。

　ストップ・アンド・シグナル命令については、「C/C++ Language Extensions for Cell Broadband Engine Architecture」の第2.11節「Control Intrinsics」および「Cell Broadband Engine Programming Handbook」の第9.8節「SPU and MFC Interrupts Routed to the PPE」を参照してください。

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