ARMが考えるIoTの3課題と4施策

ARMはMCUコア開発会社ですが、製造はしません。開発したコアのライセンスをMCUメーカーへ供給し、このコアに自社周辺回路を実装し各メーカーがMCUデバイスを製造販売します。コア供給元のARMが考えるIoTの3つの課題記事を紹介します。

ARMの課題と施策

本ブログ掲載MCUでは、NXP、STM、CypressがARMコア、ルネサスがNon ARMコアです。いまやARMコアがMCU世界のデファクトスタンダードです。つまりARMの考えは、MCUメーカー各社に多大な影響を与えると言うことです。

ARMが考えるIoTの課題が、「デバイスの多様性」、「エンドツーエンドセキュリティ」、「データの適切な利用」の3つです。そしてこれら課題に対して、「Cortex」、「Mbed OS」、「Mbed Cloud」、「PSA:Platform Security Architecture」の4つの施策で対応します。
課題と施策の内容は、Arm、IoTプラットフォーム「Arm Mbed Platform」アピールの記事に説明されています。

上記記事で、最も印象に残ったのが、ARM)ディペッシュ・パテル氏の下記コメントです。

「専門知識がないユーザーでも、デバイスメーカーが提供するデバイスを購入して、Mbed OSを使えばすぐに利用できる。重要なことはシンプルであることだ。」

MCU開発者の課題と施策

さて、これらARMの施策に対してエンドポイントMCUソフトウェア開発者である我々の課題と施策は何でしょうか?

ARMの課題「デバイス多様性」や「セキュリティ」には、Cortexコア習熟や、セキュリティ理解などが必要です。また、最近更新が盛んなMbed OS習得も加わるでしょう。

記事記載の市場規模は大きくなっても、開発時間はこれまで以上に短く、また、顧客要求も多様化、複雑化するハズです。

従って、従来のような開発方法よりむしろ、スピード重視のプロトタイピング開発が求められると思います。これには、既存ライブラリやサンプルソフト流用、活用技術を磨く必要があるでしょう。前々から言われるソフトウェアの部品化開発手法です。

流用する中身に多少不明な点があっても気にすることはありません。パテル氏コメントの「シンプルであること」を常に念頭に置きながら開発を進めることが重要です。シンプルであれば、様々な状況変化へも対応できます。開発が終わった時に振り返ると、不明内容はおぼろげながら見えるものです。

具体的な手段

弊社は、プロトタイピング開発への具体的な実現手段として、ARMコアのNXP、STM、Cypress各社、およびNon ARMコアのルネサスに対してマイコンテンプレートを提供中です。テンプレートと評価ボードを使えば、早期開発着手と汎用開発部分の使いまわしも簡単で、プロトタイピング開発に最適です。

汎用処理が出来上がったテンプレートへ、顧客要求実現の開発部分を組込めばソフトウェア全体がほぼ仕上がる仕組みです。

また、Mbed OSの仲間であるFreeRTOSを例に、マイコンRTOS習得ページもテンプレートサイトに掲載しております。ご活用ください。

mbed OS 5.4.0のLチカ動作、LPCXpresso824-MAXで確認

四半期毎更新のIoTマイコン向けRTOS、ARM mbed OS 5の最新版5.4.0がリリースされました。このmbed OS 5を使って、ARM mbed開発環境でBlinky:Lチカサンプルプログラムを、LPCXpresso824-MAX評価ボードで動作確認しました。

ARM mbed開発環境

ARM mbed開発環境は、オンラインでコンパイル環境が提供されます。ブラウザさえあれば、統合開発環境:IDEをPCへインストールすること無しにソフト開発が可能です。コンパイル出力を、USB経由で評価ボードへダウンロードすれば、動作確認も簡単です。

ARM mbed開発環境
ARM mbed開発環境

mbed OS 5が動作するCortex-M0+評価ボードは、現在6種あります(全74種対応中)。

mbed OS 5.4.0のBlinkyサンプルとFreeRTOS v8の比較

この6種評価ボードに、FreeRTOSで使用中のLPCXpresso824-MAXもありますので、mbed OS 5でLチカサンプルプログラムを作成し、FreeRTOSのそれとソース比較しました。

RTOS Blinky Comparioson
RTOS Blinky Comparioson

mbed OS 5は、Cをオブジェクト指向へ拡張したC++言語で記述します。

ハード初期設定などは、評価ボード選定時に(別の個所で)済ませるので、記述ソースはFreeRTOSに比べて少なくなります。FreeRTOSのSuspendedは、mbed OS 5では、waitingに相当します。また、mbed OS 5 APIの方が、全般的に短く記述できます。

mbed開発環境は、直ぐに試せて取っ付き易い反面、ボード差や詳細なRTOS処理内容が隠される(見えない)気がしますが、本来のアプリ早期開発には、こちらの方が細かいことは気にせずに良いのでしょう。また、ボード間の移植性も高まります(次章CMSISを参照)。

両RTOSのLチカリソース使用量比較は、止めておきます。FreeRTOSの方はDebug出力で、一方、mbed OSの方は(多分)Release出力で条件が違うと思うからです。ARM mbed環境のデバッグ方法は、いろいろありそうなので、今後調査する予定です。

CMSIS

CMSIS Structure
CMSIS Structure

CMSIS:Cortex Microcontroller Software Interface Standardは、Cortex IPコア開発元のARM規定のソフトウエア規格で、図が全体像(v4版)です(セムシイスと読むようです)。最上位アプリケーションと最下位Microcontrollerの間に、7種のCMSIS-xyzを規定します(CMSIS-RTOSなどCMSIS Software Packの緑色領域)。

CMSISの目的は、アプリ側(青緑領域)から見えるハードウエアCortexコア(灰色領域)の隠蔽です。ARM Cortexコアを使うMCU各社が、このCMSIS準拠でソフト開発すれば、各社間のアプリ移植問題は解決します。つまり、CMSIS準拠アプリならば、例えARMコア以外であっても、全てのMCUで同じアプリが動作するということです。

ARMは、Cortex IPコア販売でMCUハードウエアのデファクトスタンダードになりました。CMSISは、よりCortexコアを普及させ、さらにMCUソフトウエアのスタンダードを狙うARM戦略の1つでしょう。

本家本元のARMが開発するmbed OS 5は、CMSIS-RTOS準拠のAPIを持ちます。その結果が、Lチカソースにも表れていて、ボード移植性が高いのです。

弊社マイコンテンプレートも、図のCode Templateと同等!になれば、良いのですが…。

mbed OS 5リリース

2016年8月5日、ARM mbed OS 5がリリースされました。mbed OS 5対応評価ボードは、現在39種類あります。本プロブ対象のARM Cortex-M0/M0+クラス評価ボードは、このうち6種ありました。

上記ページのHardwareタグでBoardsを選択し、Filterでmbed OS 5をチェックすると対応ボードが一覧表示されます。

Cortex-M0/M0+クラスのRTOS必要性

コスト重視のARM Cortex-M0/M0+マイコン:MCUに、リアルタイムOS:RTOSが必要か否かは、意見が分かれるところです。RTOSを使うためのROM/RAMのオーバーヘッドと、無線通信ドライバ/ライブラリの必要性がポイントだと思います。

FreeRTOSの場合は、ライブラリを除くと約5KB ROMが必要であることを以前示しました。mbed 5 OSは、BLEなどの各種無線通信をサポートしますが、コア部分は、(おそらく)同程度だと思います。
※MCUとMPU/SBC間の無線通信規格はコチラにまとめています。

IoT向けMCU実現には、無線通信機能は必須です。ここを1からMCUに実装するのは結構大変です。RTOSライブラリで提供されれば、Cortex-M0/M0+クラスMCUへの適用も現実的になるかもしれません。

一方、CypressのPSoC 4 BLEやPRoCは、RTOSを使わずにBLE通信を実現済みです。

Cortex-M0/M0+クラスへのRTOS適用は、まだ不透明だと思います。しかし仮にRTOSが誰にでも安心して使えるようになると、残念ながら弊社販売中のマイコンテンプレートは不要になるかもしれません。

マイコンテンプレート対抗馬は、本記事のmbed OS 5、FreeRTOSです。