複数のコアにおけるコシミュレーションコンポーネントの実行

Simulink^® は、ローカルソルバーを使用する、またはシミュレーションツールを含むコンポーネント間のコシミュレーションをサポートしています。たとえば、コシミュレーションには、Simulink とサードパーティ製のツールまたはカスタムコードの間にコシミュレーションゲートウェイとして実装される S-Function を含めることができます。また、コシミュレーションモードで Simulink または Model ブロック (アクセラレータモードの場合) にインポートされる FMU を含めることもできます。

以下の場合、パフォーマンスを向上させるために、コシミュレーションブロック (コンポーネント) を含むモデルをマルチスレッドで実行することを検討してください。

複数のコシミュレーションコンポーネントを統合する場合
コンポーネントレベルの統合にかかる計算負荷が高い場合

このトピックは、マルチスレッドのプログラミングと概念を熟知していることを前提としています。

Simulink では、スレッドセーフである場合、マルチスレッドで C MEX S-Function ブロック、コシミュレーション FMU ブロック、およびアクセラレータモード用に構成された Model ブロックを実行できます。スレッドセーフであるとは、ブロックが共有データ、リソース、オブジェクトに競合なしでアクセスしながら、マルチスレッドを扱うことができることを意味します。

また、モデルに非直達ブロックとその後に続く直達ブロックがある場合、モデルをマルチスレッドで実行できます (シングルスレッドシミュレーションとマルチスレッドシミュレーションを参照)。直達とは、ブロックの出力端子信号が同じタイムステップでその入力端子信号の値から計算されることを意味します。

メモ

Level-2 MATLAB S-Function ブロックのマルチスレッドコシミュレーションはサポートされていません。

既定の設定では、Simulink はすべてのモデルをマルチスレッドで実行するよう設定します。パフォーマンスが向上する場合、Simulink はすべてのモデルを自動的にマルチスレッドで実行します。しかし、すべてのモデルが複数のスレッドで実行できるコシミュレーションコンポーネントを持つわけではなく、すべてのモデルがマルチスレッド実行のメリットを活用できるわけでもありません。

シングルスレッドシミュレーションとマルチスレッドシミュレーション

マルチスレッド実行用のシステムでモデルの同時実行が可能かどうかを評価するにあたり、Simulink はグラフベースのアルゴリズムを使用して、使用可能なブロック間のデータ依存性を解析し、複数のタスクグループを形成します。このアルゴリズムにより、それぞれのタスクグループは必ず次のようになります。

互いにデータ依存性がない
複数のコアを使用して並列で実行できる

たとえば、Simulink は、非直達ブロックとその後に続く直達ブロックを探します。後に続く直達ブロックが非直達ブロックのみに依存している場合、それらのブロックを並列実行用に同じ分岐にグループ化できます。

この例では、並列実行用に分割された一連のブロックの逐次実行を比較します。

graph-based execution multithread conceptual diagram

複数のコアでシミュレーションを高速化するためのマルチスレッドシミュレーションの使用

Graph-Based Multithread Simulation の例について考えます。この例では、4 つの非直達ブロックとその後に続く 4 つの直達ブロックを使用しています。直達とは、ブロックの出力端子信号が同じタイムステップでその入力端子信号の値から計算されることを意味します。

Simulink でデータ依存性が解析され、4 つの分岐が形成されます。各分岐に非直達ブロックとその後に続く直達ブロックが含まれます。次に、Simulink はマルチスレッディングを使用してこれらの 4 つの分岐を実行します。これにより、Simulink は、同じマシンで行うシングルスレッドのシミュレーションと比べて、4 つ以上のコアマシンでシミュレーションをほぼ 4 倍に高速化できます。MultithreadedSim パラメーターを変更する前後にモデルのシミュレーションを手動で測定することもできます。

slexGraphBasedMultiThreadSimExample model

次のコードは、Graph-Based Multithread Simulation の例のシミュレーションを測定する方法を示しています。

openExample('slexGraphBasedMultiThreadSimExample');...
set_param(gcs,'MultithreadedSim','off');
tic;sim('slexGraphBasedMultiThreadSimExample');toc

Elapsed time is 39.406743 seconds.

set_param(gcs,'MultithreadedSim','on');
tic;sim('slexGraphBasedMultiThreadSimExample'); toc

Elapsed time is 13.619744 seconds.

この例では、4 つのコアマシンで速度が約 3 倍 (4 倍でなく) になっています。これは、オペレーティングシステムのスレッドコンテキスト切り替えで発生する余分なオーバーヘッドによるものです。

`MultithreadedSim` パラメーターの使用

MultithreadedSim パラメーターを使用すると、モデル全体をマルチスレッドで実行するよう指定するか、特定のブロックをマルチスレッドで実行するよう指定することができます。モデル内のすべてのコシミュレーションブロックがスレッドセーフである場合、モデル全体をマルチスレッドで実行するよう指定します。一部のブロックはスレッドセーフであるが、すべてではない場合、そのブロックのみをマルチスレッドで実行するよう特定します。モデルとブロックは MultithreadedSim パラメーターを次のように用います。

設定	説明
`'auto'`^a	(既定) ブロックがマルチスレッドで実行できるかどうかを Simulink に判定させる。
`'off'`	ブロックまたはモデルのマルチスレッド実行を無効にする。
^a Starting in R2021a, when you open a model created in a previous release, Simulink interprets the `'on'` setting to be the same as `'auto'`.

MultithreadedSim パラメーターを有効にしたとしても、ブロックまたはモデルがマルチスレッドでシミュレーションされるとは限りません。マルチスレッドシミュレーションは、MultithreadedSim が有効であり、かつ以下の場合に行われます。

ブロックおよび/またはモデルがシングルレートで動作する。
ブロックおよび/またはモデルがスレッドセーフである (たとえば、静的データまたはグローバルデータを使用していない)。
ブロックおよび/またはモデルに例外がない。S-Function ブロックには、関数 ssSetOptions を使用して SS_OPTION_EXCEPTION_FREE_CODE を設定します。

マルチスレッドではソルバーリセットチェックは許可されず、したがって関数 ssSetSolverNeedsReset と ssBlockStateForSolverChangedAtMajorStep の使用はスキップされます。一方、アクセラレータモードでは、これらの関数が使用されるか、連続状態である場合、マルチスレッドは自動的にオフになります。

S-Function ブロックによるシングルスレッドまたはマルチスレッド実行の設定

S-Function ブロックがシングルスレッドで実行されるかマルチスレッドで実行されるかは、MultithreadedSim パラメーターの値と関数 ssSetRuntimeThreadSafetyCompliance に依存します。

`MultithreadedSim` の設定	`ssSetRuntimeThreadSafetyCompliance` の設定	シングルスレッドまたはマルチスレッド
`'auto'`	`RUNTIME_THREAD_SAFETY_COMPLIANCE_UNKNOWN`	シングルスレッド
`'auto'`	`RUNTIME_THREAD_SAFETY_COMPLIANCE_TRUE`	マルチスレッド
`'auto'`	`RUNTIME_THREAD_SAFETY_COMPLIANCE_FALSE`	シングルスレッド
`'off'`	—	設定は無視され、S-Function ブロックはシングルスレッドで実行される

複数のスレッドによるコシミュレーションの制限とガイドライン

アクセラレータモードとラピッドアクセラレータモードではシミュレーションはシングルスレッドで実行されます。マルチスレッディングが有効になるのはシミュレーションモードがノーマルのときです。
モデルのシミュレーションモードをノーマルに設定します。
コシミュレーションコンポーネントでは、コード生成は行われません。
定数のサンプル時間をもつブロックでは、マルチスレッディングは有効になりません。
Simulink デバッガーがオンのとき、マルチスレッディングは有効になりません。
Simulink デバッガーをオフにします。
スレッドセーフでないブロックに依存するブロックはマルチスレッドにできません。Unit Delay ブロックを使用するなどして、依存関係を破棄することを検討してください。

S-Function ブロックの制限

シングルレートでなければならない。
モデルを修正して、マルチレートコンポーネントを個別のシングルレートコンポーネントに分割することを検討してください。
S-Function が可変サンプル時間をもつ場合、マルチスレッディングは有効にならない。
異なるサンプル時間の使用を検討してください (サンプル時間の指定を参照)。
S-Function が連続状態をもち、ソルバーが固定ステップであり、それらが合わさって連続状態の整合性のチェックをトリガーする場合、マルチスレッディングは有効にならない。連続状態の整合性のチェックを無効にするには、関数 ssSetSkipContStatesConsistencyCheck を使用します。
スレッドセーフであること — ssSetRuntimeThreadSafetyCompliance(SimStruct *S,int_T val) では、val を RUNTIME_THREAD_SAFETY_COMPLIANCE_TRUE にしなければなりません。
詳細については、Guidelines for Writing Thread-Safe S-Functionsを参照してください。
例外なしであること — ssSetOptions(SimStruct *S,uint_T options) では、options に SS_OPTION_EXCEPTION_FREE_CODE を含めなければなりません。
詳細については、Guidelines for Writing Thread-Safe S-Functionsを参照してください。
S-Function アナライザーがオンのとき、マルチスレッディングは有効にならない。ノーマルモードでマルチスレッディングを試してください。
S-Function が連続サンプル時間をもつとき、マルチスレッディングは有効にならない。異なるサンプル時間の使用を検討してください (サンプル時間の指定を参照)。
マルチスレッディングでは出力メソッドと更新メソッドが同時に実行される。ブロックには出力メソッドまたは更新メソッドがなければなりません。

FMU Import ブロックの制限

コシミュレーションモードでなければならない。
FMU モードを Model Exchange から Co-Simulation に切り替えることを検討してください。
スレッドセーフでなければならない。たとえば、複数の FMU は同時に同じファイルにアクセスできない。
FMU ブロックのログ記録が MATLAB^® コマンドウィンドウに表示されるとき、マルチスレッディングは有効にならない。次を使用して FMU ブロックのログ記録をファイルにリダイレクトしてください。
```
set_param(blockName,'FMUDebugLoggingRedirect','File')
```
FMU がプロセス外で実行されている場合、マルチスレッディングはサポートされない。この設定を無効にするには、次を使用します。
```
set_param(blockName,'DebugExecutionForFMUViaOutOfProcess','off')
```

Model ブロックの制限

Model ブロックにイベント端子があるとき、マルチスレッディングは有効にならない。
For Each Subsystem ブロック内に存在することはできない。
Model ブロックを For Each Subsystem ブロックの外に移動することを検討してください。
アクセラレータモードでなければならない。
シングルレートでなければならない。
モデルを修正して、マルチレートコンポーネントを個別のシングルレートコンポーネントに分割することを検討してください。
可変サンプル時間をもつブロックは使用できない。
異なるサンプル時間の使用を検討してください (サンプル時間の指定を参照)。
連続状態をもつことはできない。
Unit Delay ブロックを使用するなどして、ブロック間の依存関係を破棄することを検討してください。
固定ステップソルバーをもたなければならない。
どのグローバルなデータストアにもアクセスできない。
モデルに Simulink Function ブロックが含まれているとき、マルチスレッディングは有効にならない。
いずれの Simulink 関数または呼び出し元ブロックも使用できない。
To File ブロックを含めることはできない。詳細については、シミュレーションデータの保存を参照してください。
From File ブロックを含めることはできない。
最上位モデルからの Inport 経由で参照モデルにデータを入力することを検討してください。