RA用e2studio 2022-07リリース

2022年8月31日より、FSP v4.0.0同梱RAファミリ最新開発環境e2studio 2022-07が、ダウンロード可能です。

FSP for RA MCU Family, version 4.0.0. (2022/08/31)

FSP同梱インストーラ利用指示

RAファミリはFSP同胞インストーラ利用指示
RAファミリはFSP同梱インストーラ利用指示

RAファミリ以外の単体e2studioバージョンアップは、7月20日でした。

RAファミリのアップデートは、上記リリースノートのようにFSP(Flexible Software Package)同梱インストーラ利用指示があるため、RA用のe2studio 2022-07リリースは、単体から1.5ヶ月遅れの8月31日になりました。同梱インストール理由は、不明です(単体e2studio+単体FSPインストールも可能ですが、指示に従う方がBetter)。

また、e2studio 2022-04以降、Windows 11-64bitに正式対応しました。弊社の先行Win11 21H2も、最新FSP同梱RA用e2studio 2022-07の正常動作確認済みです。

但し、ルネサス半導体セミナーやリリースノート、サンプルコードの説明書きなどは、未だWin10です。

Win11への移設は、今秋予定の22H2発表後でも良いと思います。Win11 22H2は、9月20日リリース情報があります。仮に9月20日なら、次回投稿は、弊社Win11 21H2の22H2大型更新レポートになるでしょう。

Example Project Bundle

RA6E1(左)とRA4E1(右)サンプルコード一覧
RA6E1(左)とRA4E1(右)サンプルコード一覧

弊社推薦RA6/4ファミリ評価ボード:FPB-RA6E1、FPB-RA4E1サンプルコード:FPB-RA6E1/FPB-RA4E1 Example Project Bundleも、最新版がリリースされました(2022/08/11)。

最新Example Project Bundleでも、多くのベアメタルサンプル、FreeRTOSサンプルは1個(下線)、Azure RTOSサンプルは0個です。

Cortex-M33コア採用のRA6/4は、IoT MCUでFSPもRTOS対応済みです。先ずは、ベアメタル開発でFSPに慣れてもらうという意図でしょうか?

RA開発環境まとめ

9月16日時点の最新RA開発環境バージョンアップ状況をまとめたのが下図です。

RA用開発環境のバージョンアップ状況
RA用開発環境のバージョンアップ状況

RA用の開発環境は、FSPバージョン版数が不揃いです。例えば、FSP同梱e2studioのFSP版数は、v4.0.0なのに、最新Example Project BundleのFSP版数は、v3.8.0で1世代前です。

しかし、v3.8.0のExample Project Bundleは、下図のようにFSP ConfigurationのBSPタブで最新FSP version 4.0.0へ変更が可能です。変更後、Generate Project Contentをクリックすれば、FSP v4.0.0でのAPIコードやひな型コードが生成されます。

FSPバージョン変更方法
FSPバージョン変更方法

また、直にIoT MCU RTOS開発を始めたいベアメタル開発経験者には、FreeRTOSやAzure RTOSサンプルコード数が少ないことも問題です。

対策案として、前投稿説明のベアメタルサンプルコードからRTOSコードを自作する方法をお勧めします。

RTOSの目的や機能を教科書から学ぶよりも、自作サンプルコードから理解していくベアメタル起点のRTOS習得方法は、RTOSスキルを磨きベアメタル補完RTOS開発の面白さを知る良い方法だと思います。



FreeRTOS/Azure RTOSソフトウェア開発手法

ルネサス公式センササンプルコードを使って、ベアメタル処理を起点とするRTOS(FreeRTOS/Azure RTOS)ソフトウェア開発手法を説明します。

筆者にしては、長い投稿です。要旨は、「ベアメタル処理+RTOS処理待ち=RTOS処理」です。

ベアメタル処理とFreeRTOSタスク処理並列多重
ベアメタル処理とFreeRTOSタスク処理並列多重

センササンプルコード

  1. FS2012 Sample application – Sample Code
  2. HS300x Sample application – Sample Code
  3. ZMOD4xxx Sample application – Sample Code

説明に用いたセンササンプルコードが、上記3種類です。ダウンロードには、ルネサスのログインが必要です。同一動作のベアメタル/FreeRTOS/Azure RTOS、3個のe2studioプロジェクトが同胞されています。動作MCUは、ルネサス)RA/RX/RE/RL78ファミリです。

サンプルコードマニュアルだけは、下記からログイン不要でダウンロードできます。本稿は、これらマニュアル情報だけで読める工夫をしました。

  1. FS2012 Sample application
  2. HS300x Sample application
  3. ZMOD4xxx Sample application

FS2012がガスフローセンサ、HS300xが湿度・温度センサ、ZMOD4xxxが高性能ガスセンサです。この順番で、サンプルコードが複雑になります。

そこで、焦点を、一番簡単なFS2012サンプルコード、動作MCUをRA6M4(Cortex-M33/200MHz/1MB Flash/256KB RAM)に絞って説明します。他サンプル/MCUでも同様の結果が得られます。

なお、3サンプルコードは、ベアメタルからRTOS開発へステップアップする時にも適したコードです。

センサとMCU間接続:I2C

PMODインタフェースによるセンサボードとMCU接続
PMODインタフェースによるセンサボードとMCU接続

センサとMCU間は、サンプルコード全てPMOD経由のI2C接続です。従って、I2C接続センサのIoT MCU制御例としても応用可能です。FreeRTOSとAzure RTOS、両方に対応した点が便利です。

PMODとは、米Digilent社規定のオープンインタフェース規格です。図示のように、複数センサボードを、レゴブロックのようにMCUへ追加接続できる特徴があります。

ベアメタルとFreeRTOS/Azure RTOSメモリ量

FS2012サンプルコードマニュアルより抜粋した使用メモリ量比較です。

ベアメタル FreeRTOS Azure RTOS
Flash 1065 bytes 1374 bytes 1342 bytes
RAM 73 bytes 249 bytes 246 bytes

RTOSは、ベアメタル比1.3倍のFlash使用量、3.4倍のRAM使用量です。但し、上表にRTOSタスク/スレッドのスタックメモリ量は含みません。

Flash/RAM使用量が増加しますが、RTOS開発ソフトウェア流用性が高まるメリットがあります。これら増加分は、ベアメタル単体処理からRTOSマルチタスク/スレッド処理のオーバーヘッドに相当すると考えて良いでしょう。

マルチタスク/スレッド以外にも、RTOS開発には、クラウド接続/セキュリティ/OTA(Over The Air)処理などのオーバーヘッドが別途必要です。

これら処理のため、IoT MCUは、ベアメタル比、Flash/RAM量の十分な余裕と高速動作が必要になります。

FS2012センサAPI使用方法

FS2012フローセンサの使用APIとその利用手順です。一般的なセンサでも同様で、特に変わった点はありません。

FS2012 APIと利用手順
FS2012 APIと利用手順

ベアメタル処理フロー

RTOS開発の起点となるベアメタル開発の処理フローです。

FS2012のベアメタル処理フロー
FS2012のベアメタル処理フロー

初期設定で、I2Cとセンサを初期化し、無限ループ内で、センサデータ取得と取得データの演算を繰返します。センサデータの連続取得に409.6ms遅延時間が必要であることも判ります。センサデータ取得完了は、センサ割込みを使って検出しています。

このベアメタル処理フローも、特に変わった点はありません。

RTOS処理フロー

ベアメタルと異なる処理だけを橙色抜粋したFreeRTOS処理フローです。

ベアメタル処理とRTOS処理のフロー差分
ベアメタル処理とRTOS処理のフロー差分

差分は、RTOS遅延:vTaskDealy()/tx_thread_sleep()で409.6msと1msが加わる点、vTaskDelete()/tx_thread_delete()でタスク削除する点です。

また、センサ制御本体は、タスク/スレッド記述へ変更し、セマフォにより別タスク/スレッドとの排他制御を行います。

1ms遅延は、別タスク/スレッド切替えに必要です(関連投稿のコチラ、6章コンテキストスイッチ参照)。FS2012サンプルは、タスク/スレッド数が1個なので切替え不要です。

しかし、例えば、HS300xセンサボードを、FS2012センサボードへレゴブロック様式で追加した時は、FS2012センサとHS300xセンサの2タスク/スレッドを、この1msスリープでRTOSが切替えます。

FS2012センサは、ベアメタル処理フローで示したデータ取得間隔に409.6ms遅延処理が必要です。この遅延中に、HS300xセンサのデータ取得を行えば、両タスク/スレッドの効率的な並列多重ができ、これにセマフォ排他制御を用います。

※RTOS遅延処理は、本稿最後の補足説明参照。RTOSメリットが具体的に判ります。

この切替え処理が、本稿最初の図で示したRTOS処理待ちに相当します。その他のRTOS処理フローは、ベアメタル処理と同じです。

つまり、RTOS処理とは、単体のベアメタル処理へ、RTOS処理待ちを加え、複数のベアメタル処理を並列処理化したものです。

数式的に表すと、「ベアメタル処理+RTOS処理待ち=RTOS処理」です。

RTOS(FreeRTOS/Azure RTOS)ソフトウェア開発手法

IoT MCU開発者スキルの階層構造
IoT MCU開発者スキルの階層構造

ベアメタル処理を、効率的に複数並列動作させるのがRTOSの目的です。

この目的のため、優先制御や排他、同期制御などの多くの機能がRTOSに備わっています。RTOSの対象は、個々のベアメタル処理です。つまり、ベアメタル開発スキルを起点・基盤としてその上層にRTOS機能がある訳です。

RTOS習得時、多くの機能に目移りします。しかし、本稿最初の図に示したように、RTOSは、複数ベアメタル処理(タスク/スレッド)を、優先度や排他・同期条件に応じて切替え並列多重化します。

逆に、ベアメタル側からRTOSを観ると、セマフォ/Queueなど「RTOSによる処理待ち」がベアメタル無限ループ内に入っただけに見えます。「待ち/解除の制御は、RTOS」が行います。待ち処理の種類が、セマフォ/Queue/イベントフラグ……など様々でも、「ベアメタル側からは単なる待ち」です。

筆者が、RTOS開発の起点はベアメタル処理、とした理由が上記です。

つまり、ベアメタル起点RTOSソフトウェア開発手順は、

1:単体ベアメタル処理開発。単体デバッグ後、タスク/スレッド化。
2:タスク/スレッド無限ループ内へ、RTOS処理待ち挿入。
3:複数タスク/スレッド優先度を検討し、RTOS結合デバッグ。

以上で、RTOSソフトウェア開発ができます。

処理自体は、1でデバッグ済みです。2以降は、効率的RTOS処理待ち挿入と、複数タスク/スレッド間の優先度検討が、主なデバッグ内容です。複数タスク/スレッドが想定通り並列動作すれば、第1段階のRTOSソフトウェア開発は完了です。

スタックメモリ調整やより効率的な待ち処理などのチューニングは、3以降で行います。

RTOS待ち処理は、セマフォやQueueの利用頻度が高いため、RTOS習得もセマフォ/Queueを手始めに、より高度な待ち処理機能(イベントフラグなど)へと順次ステップアップしていけば良いでしょう。

ベアメタル開発経験者が感じるRTOS障壁

ベアメタルは、開発者自身が全ての制御を行います。ところが、RTOS開発では、ソースコード内に、自分以外の第3者:RTOSが制御する部分が混在します。ここが、ベアメタル開発経験者の最初のRTOS違和感、RTOS障壁です。

前章の手法は、1でベアメタル処理を完成すれば、2以降は、RTOS処理のデバッグに集中できます。つまり、既に持っているベアメタルスキルと新しいRTOSスキルを分離できます。これで、最初に感じたRTOS障壁は小さくなります。

また、RTOS障壁は、IoT MCUクラウド接続時の通信処理やセキュリティ処理時に、MCUベアメタル開発経験者に大きく見えます。しかし、これらの処理は、決まった手順で当該ライブラリやAPIを順番に利用すれば良く、一度手順を理解すれば、本当のRTOS障壁にはなりません。

クラウド接続やセキュリティ処理サンプルコードを入手し、各API利用手順の理解後は、これら該当処理の丸ごと流用でも十分に役立ちます。

まとめ:RTOSソフトウェア開発手法

IoT MCU RTOSソフトウェア開発の3分野
IoT MCU RTOSソフトウェア開発の3分野

IoT MCUは、クラウド接続のためRTOS開発になります。IoT MCU RTOS開発は、データ収集、クラウド接続、エッジAIやIoTセキュリティなど、大別すると3分野に及びます(関連投稿:世界最大情報通信技術(ICT)サービス輸出国、アイルランドIoT事情)。

本稿は、センササンプルコードを使い、ベアメタルスキル起点・基盤としたデータ収集分野のRTOSソフトウェア開発手法を説明しました。

1:単体ベアメタル処理開発。単体デバッグ後、タスク/スレッド化。
2:タスク/スレッド無限ループ内へ、RTOS処理待ち挿入。
3:複数タスク/スレッド優先度を検討し、RTOS結合デバッグ。

数式的に示すと、「ベアメタル処理+RTOS処理待ち=RTOS処理」です。

クラウド接続とエッジAI/IoTセキュリティ分野は、決まった手順のRTOSライブラリ活用などが主な開発内容です。従って、この分野は、差別化の努力は不要です。

IoT MCU RTOS開発で、他社差別化できるデータ収集RTOSソフトウェア開発の手法を説明しました。

RAベアメタルテンプレート発売中

RAベアメタルテンプレート概要
RAベアメタルテンプレート概要

2022年5月にRAベアメタルテンプレート(1000円税込)を発売しました。本稿説明のRTOS(FreeRTOS/Azure RTOS)ソフトウェア開発には、ベアメタルスキルが必須です。

RAベアメタルテンプレートにより、開発ツール:FSP(Flexible Software Package)やe2studioの使い方、豊富なベアメタルサンプルコードを活用したベアメタル開発スキルが効率的に得られます。ご購入は、コチラから。

RA版RTOSテンプレート(仮名)は、検討中です。

NXP版FreeRTOSテンプレート発売中

NXP版FreeRTOSテンプレートも発売中です。また、本年度中には、ST版Azure RTOSテンプレートも、開発・発売予定です。

弊社ブログは、RTOS関連も多数掲載済みです。ブログ検索窓に、FreeRTOSやAzure RTOSなどのキーワードを入力すると、関連投稿がピックアップされます。

補足説明:RTOS遅延処理

RTOS遅延処理のvTaskDealy(409.6ms)/tx_thread_sleep(409.6ms)は、他タスク/スレッドの処理有無に関わらず409.6msの遅延時間を生成します。これは、ベアメタル開発者にとっては、夢のようなRTOS APIです。

このようにRTOSは、開発ソフトウェアの独立性・流用性を高めるマルチタスク/スレッド動作を実現し、ベアメタルの補完機能を提供します。

つまり、ベアメタル開発中に、他処理の影響を受けるので開発が難しいと思う部分(例えば、上記遅延処理など)があれば、RTOSのAPI中に解が見つかる可能性があります。

あとがき

長い投稿にお付き合いいただき、ありがとうございました。

ベアメタル開発経験者がRTOS習得・開発を目指す時、サンプルコード以外の情報が多すぎ、途中でくじけそうになります。本稿は、サンプルコードとベアメタルスキルを活かしRTOS開発へステップアップする手法を示しました。RTOSでも、基本はベアメタルスキルです。

RTOSサンプルコードが豊富にあれば、必要情報の絞り込み、RTOSスキル向上も容易です。掲載RTOSサンプルコードは、非常に貴重だと思いましたので、RTOSソフトウェア開発手法としてまとめました。

1GHz 64ビットMPU量産開始

1GHz/64ビットMPU:RZ/A3UL評価ボード構成
1GHz/64ビットMPU:RZ/A3UL評価ボード構成

2022年8月ルネサスは、最大動作周波数1GHz 64ビットMPU、RZ/A3ULの量産を始めました。本プログメインカテゴリのMCU(マイコン)では無く、比較対称のMPU(マイクロプロセッサ)のことです。

より高度なHMI(Human Machine Interface)を実現するためRTOS(FreeRTOS/Azure RTOS)採用、RISC-Vコア搭載機RZ/Fiveとも互換性を持たせる作りです。肥大化するソフトウェア資産流用、活用に重点を置いています。

ところで、2022年8月9日ITmediaのPCとは何だったのか記事の最初のページには、PC(CPU)が16→32→64ビットへと変わった41年の歴史が、23回連載記事タイトルからも判ります(詳細は、連載記事参照)。

本稿で言いたいのは、MCU(マイコン)も近い将来GHzクラス高速化へ向かうだろうと言うことです。

MCU → IoT MCU

未だに8/16ビット機も現役のMCUは、CPU程の紆余曲折や派手さはありませんが、着実に高速・大容量化が進行中です。制御規模が小さく、スタンドアロン処理も可能なMCUなので8/16ビット機でも現役です。

しかし、時代はIoT、全ての制御対象がネットワークに繋がります。OTA(Over The Air)によりセキュリティ更新や、制御ソフトウェア変更もIoT MCUでは可能です。これら処理は、セキュリティライブラリや決まった更新手順で実施されます。

つまり、プリミティブなMCU制御から、よりアプリケーション寄り、場合によってはRTOS前提のIoT MCU制御へ変わらざるを得ない状況になりつつあります。自力でこれらを開発する猛者もいるでしょう。しかし、これらは、本来注力すべき開発差別化部分ではありません。

MCUハードウェア/ソフトウェアともに、市場獲得に向けて他社差別化を狙う部分と、IoTクラウド接続達成部分を、コストパフォーマンス高く共立する、これがIoT MCUの要件です。

CPU/MPU製造技術やソフトウェアのMCU転用は、過去、上記要件の解となってきました。大容量Flash内蔵が前提MCUと、外付けRAM前提CPU/MPUのハードウェア差はありますが、その転用速度は、今後更に早まると思います。

高度なHMIを体験すると元に戻れないように、MCU+クラウド→IoT MCUを顧客が体験すると、元のスタンドアロンMCUには戻れません。

ドライバ → 個別API → HAL API → マルチタスク

IoT MCUソフトウェア開発の変遷
IoT MCUソフトウェア開発の変遷

MCUソフトウェアも、40年前のドライバ開発、20年前のMCU個別API開発、10年前からはMCU共通HAL(Hardware Abstraction Layer) API開発へと変わりました。MCUソフトウェア資産化も、もはや夢ではありません。

開発部分がアプリケーション層に近づけば近づくほど、オーバーヘッドは増えます。オーバーヘッド増大や各種セキュリティライブラリなどの有効活用、RTOS利用によるマルチタスク開発には、IoT MCUの64ビット化、GHzクラス高速化も必然だと思います。

ビット幅増大は、各種巨大ライブラリ流用のためです。ここは32ビットでも十分かもしれません。しかし、高速化は、オーバーヘッド対策や、場合によってはMPU同程度の高度HMI処理、クラウドエッジでのAI処理など、IoT MCU機能実現には必須です。

製造業経済規模 → 縮小中の日本

我々開発者は、前章のIoT MCUソフトウェア開発の変遷を見ただけでもかなりの大変さ、自助努力が開発に必要であることを実感できます。

しかし、日本は、世界の先進国とは異なります。大変さや努力に対し報われることが期待できません。

日本が先進国で唯一、製造業の経済規模が縮小している国という記事や、労働者不足が、COVID-19のせいではないという記事を読むと、その理由と現状が判ります。

世界第2位から降下中の日本
世界第2位から降下中の日本

諸外国の真似をせよという気はありません。が、このままでは気が付けば、後進国になりかねないのが、今の日本です。

今こそ、日本開発者「個人」で変化に対応すべきです。少しずつでも、IoT MCUへ準備を始めませんか?

弊社NXP版FreeRTOSテンプレートは、FreeRTOSプロジェクトと同じ動作のベアメタルプロジェクトも添付済みです。アプリケーションレベルでRTOSとベアメタルを比較しながら技術習得が可能です。是非、ご活用ください。また、ST版Azure RTOSテンプレートも本年度中には開発予定です。

最後は、宣伝となってしまいました。すいません。

日本とアイルランドのIoT

北海道とアイルランド比較(出展:たび日和、アイルランドの面積ってどのぐらい?)
北海道とアイルランド比較(出展:たび日和、アイルランドの面積ってどのぐらい?)

2022年7月29日ZDNet Japan掲載、アイルランドIoT事情についての記事(前編後編)と、2022年8月1日MONOist掲載、調査結果からみる日本製造業将来と期待の記事を紹介、両国のIoT開発現状を比較します。

アイルランド

北海道 アイルランド共和国
面積 8万3,400㎡km 7万300㎡km
人口 530万人 492万人

日本と同じ島国で、面積、人口が北海道より少し小さいアイルランド共和国は、記事によると世界最大の情報通信技術(ICT)サービス輸出国です。

アイルランド国内総生産(GDP)は、世界トップ10にランク(Wikipedia)されます。

アイルランドIoT事情

ごく簡単に記事要旨をまとめます。

アイルランドは、IoTを「データ収集(Collect)」「接続(Connect)」「変換(Transform)」の3カテゴリに分類、さらに3カテゴリをまたぐ形で事業展開する企業をサポート、IoTサービス進化を現実化する研究施設もある。

「IoTビジネスに最適な国」を目指し、行政や大学などの研究機関を整備、世界各国から有力企業とノウハウを集積した結果、2022年経済成長率5.4%、2023年4.4%と予測される高い経済成長に繋がっている。

日本製造業の将来と期待

MONOist日本読者による製造業の将来と期待についてのアンケート結果が、3枚の図にまとめられています。

要旨を簡単にまとめます。

・先が読めないので予想し準備することは不可能。だから、変化に合わせた柔軟性が重要。
・リアル活動制限のコロナ禍、デジタル環境で様々な業務ができることが判明。
・日本製造業将来が明るい/暗い回答はほぼ同数で25%、残り50%はどちらとも言えない。
・AIやロボット、自動運転などの自動車分野、メタバース/ローコード技術に期待。
・日本モノづくりは、世界的に見ると特殊な立ち位置。

最後を除いては、日本に限らずどの国の企業、技術者でもさほど違わないと思います。違いは、日本の国家指針の無さ・見えなさ、変化に対するスピードの遅さだと思います。

海外比遅れる理由(出展:MONOist 15周年記念アンケートP7)
海外比遅れる理由(出展:MONOist 15周年記念アンケートP7)

まとめ:個人レベルは選択と集中

日本とアイルランドのIoT開発現状を比較しました。

関連分野が広く、しかも、各分野の奥行も深いIoTです。日本の開発者個人にとっては、アイルランドのIoT 3カテゴリ分類は、1つの「指針」になると思います。

例えば、IoTエッジMCU開発者ならば、先ずはデータ収集、次に無線/有線の接続、最後にAI向けのエッジデータ変換というように、アイルランドガテゴリに沿った技術区分と優先順位を付けることができます。

漠然とIoTを捉えるより区分と優先順位があれば、より集中、選択してIoT技術を習得できます。しかも、そのカテゴリ分けは、世界最大のIoTサービス提供実績があるアイルランドカテゴリに基づいているので、「世界的モノづくりへ通用」する可能性も高いです。

ガラバゴス技術の多い日本にいると、自身の技術がはたして世界で通用するかの不安は付きものです。

不安払拭のため、時には開発者個々人が、世界(今回はアイルランド)へと視野を広げ、自身の開発領域へフィードバックをかけ、「選択、集中した技術習得」が効果的なIoTだと思います。

組込み開発 基本のキ:暗号技術の仕組み

組込み開発 基本のキ:暗号技術の仕組み
組込み開発 基本のキ:暗号技術の仕組み

デイビッド・ウォン著、⾼橋 聡 訳、⽇経クロステックの4記事:暗号技術の要旨をまとめました。

組込み開発と暗号技術

暗号技術は、数学が基礎です。暗号を使えば、秘密が守られることを科学的に立証する必要があるからです。しかし、暗号を使う立場の組込み開発者は、数式よりも、暗号の仕組み理解の方が重要です。

仕組み中心の暗号技術解説記事が、下記⽇経クロステック4記事です。組込み開発 基本のキ、暗号仕組み理解に丁度良いと思います。各記事の要旨を抜粋します。

内容 発行日
秘密鍵の仕組み 2022年7月7日
ケルクホフスの原理 2022年7月8日
公開鍵暗号の仕組み 2022年7月12日
RSAデジタル署名 2022年7月13日

秘密鍵の仕組み

誰にでも読める平文を、暗号文へ変換する時に使う鍵が、秘密鍵。暗号文を元の平文へ復号する時も「同じ秘密鍵」を使う。

この送受双方の同じ秘密鍵利用が、対称秘密鍵暗号方式。送受参加者が多いと、鍵が漏洩するなど実用性低下の欠点もあるが、古代より使われてきた。

ケルクホフス原理

暗号/複合時に用いるアルゴリズムは、一般に公開しても良い。例えば、ウェブページ閲覧時のAES(Advanced Encryption Standard:⾼度暗号化標準)など。

公開アルゴリズムのセキュリティを保証する手段が、秘密鍵。

公開鍵暗号の仕組み

送受それぞれ「別の秘密鍵」と、「公開できる鍵」の2種類を使うと、送信側の秘密鍵が受信側で計算可能。これが、「非対称」の公開鍵暗号方式で、対称秘密鍵暗号方式の欠点を解消。

記事の公開図形と秘密鍵の計算例が解りやすい。

但し非対称公開鍵暗号方式は、第3者による公開鍵すり替えが可能なので、信頼性の問題は解決されない。

RSAデジタル署名

信頼性問題を解決するのが、デジタル署名。公開鍵を使って、送信者の署名が本物か偽物が検証可能。RSA以外にもデジタル署名方式あり。

このデジタル署名と非対称公開鍵暗号方式の両方を使うのが、現代の暗号化アルゴリズム全体像。

まとめ:仕組み理解でセキュリティ進化へ順応

暗号技術の仕組み理解でセキュリティ進化へ順応
暗号技術の仕組み理解でセキュリティ進化へ順応

インターネットに接続するIoT MCUには、通信セキュリティ対策は不可欠です。MCU開発側からすれば、当該セキュリティライブラリを、開発ソフトウェア/ハードウェアへ組込めば完了と思いがちです。

しかしながら、セキュリティ対策には、終わりがありません。新攻撃に対し、新たな暗号方式が登場します。MCU開発者が、複雑・高度化する暗号技術へ対応し、セキュリティ進化に追随するには、その仕組み理解は欠かせません。

本稿は、現代暗号化アルゴリズム、非対称公開鍵暗号方式とデジタル署名を説明しました。古代からの暗号技術は、インターネット出現により高度で複雑化しました。要旨の抜粋で判り難い箇所は、元記事も参照してください。

組込み開発 基本のキ:暗号技術の仕組みを理解し、IoT MCUセキュリティ進化へ順応しましょう。

組込み開発 基本のキ 過去投稿

組込み開発 基本のキ:組込み処理
組込み開発 基本のキ:RTOS vs. ベアメタル

Azure RTOS習得(6):低電力動作

STM32G4評価ボードのAzure RTOS低電力動作サンプルコード:Tx_LowPowerは、現在正常に動作しません。原因は、Stop1モード開始/Run復帰処理であることは判りました(下表の青部分)。

そこで、この低電力モード開始/復帰処理を、VCPメッセージ出力へ変更、低電力動作は保留し、Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法と低電力動作の流れを説明します。

処理名 処理内容:低電力動作

(LD2:評価ボード単体)

優先度 プリエンプション閾値
メインスレッド 1) セマフォ取得を永遠に待つ
2) 取得時LD1 500ms点滅を10回実施
10 10
S1プッシュ割込み セマフォカウンタ=0時、セマフォ放出
Enter_LowPower_Mode Stop1モード開始処理 ➡ VCPメッセージ出力
Exit_LowPower_Mode Runモード復帰処理 ➡ VCPメッセージ出力

まとめ

STM32G4評価ボードのAzure RTOS低電力動作サンプルコード:Tx_LowPowerは、Stop1モード開始/Run復帰に問題があり正常動作しません。

そこで、Stop1モード開始/復帰処理を保留にし、Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法と低電力動作の流れを説明しました。

Azure RTOSプロジェクトで低電力動作させるには、STM32CubeMXのConfiguration ThreadXタブLow PowerのEnter LowPower SupportとTX_LOW_POWER_TICKNESSをEnableにするだけです。

Enable後、CubeMX生成のApp_ThreadX_LowPower_Enter/Exitの中身:Enter/Exit_LowPower_Modeへ、STM32G4低電力動作7モードの設定/Run復帰処理を記述すれば、Azure RTOS低電力動作ができます。

Tx_LowPower動作

サンプルコード:Tx_LowPower の正常な動作が下記です。

1) S1プッシュでLD1が10回点滅後、Enter_LowPower_Mode実行しStop1停止
2) S1プッシュ割込処理でExit_LowPower_Mode実行しRun復帰

つまり、S1プッシュ毎にLD1が10回点滅し、その後、低電力Stop1モードで待機します。Stop1状態表示はありません。

Stop1モード動作の代わりにVCPメッセージ出力が下記です。S1プッシュでLD1が10回点滅、点滅中はVCPメッセージ出力無しです。違いは、Stop1モード動作有無です。

Stop1モード動作の代わりのVCP出力
Stop1モード動作の代わりのVCP出力

「非」動作対策の保留(NOP)

STM32CubeMXは、プログラムフレームワーク生成に優れています。Enter/Exit_LowPower_Mode内容のみを変更すれば、Stop1以外のStop2モードやSleepモードへの低電力動作変更が簡単にできます。

ちなみに、筆者は、Sleepモードへも挑戦しましたが、正常動作はしませんでした。
※Enter/Exit_LowPower_Mode正常化をご教授頂ける方は、メールを頂けると助かります。

そこで、このEnter/Exit_LowPower_Mode処理は、一旦、保留(NOP)とします。

Tx_LowPowerが正常化した後、改めて保留にしたEnter/Exit_LowPower_Mode処理を入れ替えれば済むからです。現状は、NOPの代わりにVCPメッセージ出力処理を選びました。

この保留対策で、Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法と低電力動作の流れ理解の段階へ進めます。

Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法

Azure RTOS Low Powerプロジェクト作成
Azure RTOS Low Powerプロジェクト作成

低電力動作有りと無しのプロジェクト作成差は、CubeMXのConfiguration ThreadXタブのLow Powerを開き、Enter LowPower SupportとTX_LOW_POWER_TICKNESSをEnableにするだけです。

App_ThreadX_LowPower_EnterとApp_ThreadX_LowPower_Exitは、CubeMXが生成する関数名です。この両関数の中身が、我々が開発するEnter/Exit_LowPower_Mode関数です。

つまり、Enter/Exit_LowPower_Mode中身を変えれば、その他の部分はそのままで、様々な低電力動作、例えばSleepやStop2へ対応できる作りになっています。フレームワーク生成に優れるSTM32CubeMXの利点です。

低電力動作の流れ

全てのスレッドが、待機状態になると、App_ThreadX_LowPower_Enterとその中身Enter_LowPower_Modeが実行されます。その結果、例えば、Sleepが低電力動作の場合には、MCUコアSleep+周辺回路動作になります。

割込み発生でApp_TreadX_LowPowerとその中身Exit_LowPower_Modeが実行されRun復帰、最優先スレッドが実行されます。

この低電力動作に関して、公式Azure RTOSサイトに記述は有りません。低電力動作は、個別MCU依存のためでしょう。

STM32G4低電力動作モード

STM32G4の7つの主要低電力モード(出典:STM32G4 - PWR)
STM32G4の7つの主要低電力モード(出典:STM32G4 – PWR)

そこで、STM32G4の低電力動作をまとめました。元資料は、STM32G4 – PWRLPTIMです。

STM32G4は、7種の低電力動作モードをサポートしています。Runウエイクアップ時間が11サイクルと短く、電力低減効果も高いSleepが筆者のお勧めです。

サンプルコードのEnter/Exit_LowPower_Mode処理が複雑なのは、更に効果の高いStop1だからです。

サンプルコード対応

・サンプルコードが無い時は、他の評価ボードから流用。
・サンプルコードに問題ありの時は、当該処理をNOP化、サンプルが示す内容取得。

サンプルコードは、開発TipsやKnow Howの宝庫です。しかし、残念ながら付属説明は、最低限です。説明するとキリが無いからです。そこで、弊社は、ベアメタル開発経験がある方を対象に、少し丁寧に説明を追加したつもりです。

サンプルコードと評価ボードさえあれば、実際にMCU動作が確認ができ、1から10まで記載の分厚いユーザマニュアルを読むよりも、手軽で効率的にMCU開発ができます。

サンプルコードにも、トラブルがあります。STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REを使ったAzure RTOS習得(2)~(5)用のサンプルコード対応をまとめたのが、本章最初の2行です。また、(2)~(5)で使ったサンプルコード名と内容が下表です。

サンプルコード名 サンプル内容(詳細リンク先参照) 備考
AzureRtos0 汎用Azure RTOSプロジェクト作成 NUCLEO-G474RE+Arduinoプロトタイプシールド動作
AzureRtosEventFlag スレッド間イベントフラグ同期 STM32G4サンプル流用動作
AzureRtosQueue スレッド間キューメッセージ送受信 NUCLEO-G0B1RE流用動作
AzureRtosMutexSema ミューティックス/バイナリセマフォ排他制御 STM32G0C1E-EV流用動作
AzureRtosLowPower 低電力動作プロジェクト作成(本稿) STM32G4サンプル非動作

最近のMCU開発は、HAL(Hardware Abstruction Layer)API利用のため、サンプルコード流用が簡単です。個別MCUハードウェアに依存しないためです。

便利なサンプルコードを活用すれば、効率的なMCU開発ができます。更に、複数サンプルコードを流用し、プロトタイプの早期開発が容易な弊社MCUテンプレートを使えば、開発効率は上がります。

STM32G4評価ボードとArduinoプロトタイプシールド、LCDやADC動作のBaseboardを使ったST版Azure RTOSテンプレート(仮名)は、年内開発予定です。NXP版FreeRTOSテンプレートは、コチラで販売中です。

評価ボードへArduinoプロトタイプシールドを追加しスレッド毎にLED点滅中
評価ボードへArduinoプロトタイプシールドを追加しスレッド毎にLED点滅中

Azure RTOSやFreeRTOSは、IoT MCU開発に必要です。ベアメタルLチカ理解に相当するRTOS機能コンポーネントの習得、個人レベルで初めてはいかがでしょう。

日本開発者の視野

昨年2021年のMCUサプライヤトップ5が、2022年6月21日のTech+記事に示されました。

2021年MCUサプライヤシェア(出展:記事)
2021年MCUサプライヤシェア(出展:記事)

NXP、STマイクロ、Infineon(旧Cypress)など弊社ブログもカバーする欧州3サプライヤが強く、米国マイクロチップ2位、日本ルネサス3位、これら上位5社で82.1%のMCUシェアを独占します。

記事によると、トップ5独占率は、増加中だそうです。

半導体は国家

今年2022年2月に始まったロジアのウクライナ侵略が、半導体ビジネスにどう影響するかのMassa POP Izumida氏の考察が、コチラの記事にあります。

記事を引用すると、“限られた企業のみが先端半導体製品や製造装置を作れ、半導体が戦略物資、国家の運命を左右する”、つまり「半導体は国家なり」です。納得できますね。

日本開発者は多様性

激変する半導体ビジネスで日本人開発者が生き残るには、得意の協調性だけでなく、多様性が必要だと思います。変化しつつある状況を把握し、「個人レベル」で少し先を見据えた行動指針を持つことです。

半導体は国家の著者:Izumida氏が、ARM、RISC-Vのプロセサ潮流を考察しています。MCUの少し先を考えるのにも役立つと思います。もちろん、1指針だけでなく、第2第3の予備指針を持つことも良いでしょう。※本ブログ2021年最後の傾向と対策:日本低下でも、Izumida氏の記事が読めます。

ポイントは、多様性実現へ開発視野を広くしておくことです。

MCU開発中は、視野狭窄に陥りがちです。対策は、開発中に狭まった視野を、意識して自ら時々広げる習慣を持つことです。激変半導体業界でMCU開発者自身のサスティナビリティ(持続可能性)検討は、納期を守ることと同じぐらい重要な事だと思います。

2022ウクライナ侵略影響

ロシアでは、Windows 10とWindows 11ダウンロードが遮断されました。

欧米のウクライナ侵略への報復は、テクノロジーへも及び始めました。Windows以外にも様々な欧米製ツールが、製品開発には必要です。例え半導体を製造できても、その半導体を使う新製品が開発できなければ、本末転倒です。

テクノロジー遮断は、開発者のやる気や元気を無くすのに効果的です。

今回の侵略影響を注視している中国や欧米各国自身も、テクノロジー鎖国化・保守化傾向へバイアスが掛かる気がします。また、より強い開発者育成にも積極的になるでしょう。逆に、1998年以来、約24年ぶりの円安影響を受ける日本企業は、開発者育成などの人的先行投資は、後回し傾向がより強まると思います。

侵略は、極東アジアG7参加国日本が、ビジネスや金融など多くの点で「西側欧米各国とは異質の国であること」を、際立たせる結果を生んでいます。

まとめ

日本国内は、災害級の酷暑です。熱中症対策エアコン、節電対策、コロナ対策マスク、これら3対応が上手くできるでしょうか?

政府やマスコミは、「優先度を付けて」と言います。“優先度”は、各個人で異なります。しかし、日本人は、本来個人主体で決めるべき優先度を、他人と比べ決める傾向が強い民族です。先ず、他人ありきです。日本国内では、これでも良いでしょう。

しかしながら日本開発者は、世界の中で生きていきます。

異質の日本、視野を世界へと広くし、自分で自分を育成していくしか生き残り方法はない状況だと分析します。いかがでしょうか?

日本開発者の英語対策(7月3日追記)

2022年6月29日、経済産業省所管の日本IT国家戦略を技術面・人材面から支援する独立行政法人:情報処理推進機構IPAが、セキュリティエンジニア向け英語教材2点を発行しました。MCU開発者にも役立つ資料ですので紹介します。

英語Reading

セキュリティエンジニアのためのEnglish Reading、これは、英文読解力や英文情報収集力を高めるTips集で、「楽に」「上手く」英文を読む方法が記載されています。

セキュティ英単語集、こちらは、ポイントとなる頻出330英単語の、和訳を示しています。

どちらも形容詞の “セキュリティ” が付いていますが、普通のエンジニア向け資料です(というか、セキュリティ関連のAcronyms:略語集ではありません)。

両資料に目を通しておくと、「あらゆる英文」から効率的、効果的に情報収集が出来そうです!

英語Listening

2022年6月29日、日本ニューズウィークに中学英語をしっかりモノにすれば必ず話せるが掲載されました。英会話の大前提、「大事なことは最初」、「説明や細かいことは後」、が判ります。

英会話の冒頭部分に集中してListeningすれば、おおよその内容が把握できそうです!

日本開発者の英語

日本開発者の英語ハードル
日本開発者の英語ハードル

英語Readingやウェビナー英語Listeningは、日本人開発者最初のハードルです。しかし、ハードルは倒したとしても、早く走れればOKです。上記の資料、記事は、ハードルの倒し方、上手く早く走るテクニックを解りやすく示しています。

日本人開発者の視野を世界へ広くするには、英語ReadingとListeningは必須です。

クラウド環境進歩で、AI自動翻訳なども期待できますが、ピュアな世界情報に触れるには、原文(英語)から直接内容を理解する方が、脳にとっても良いハズです。

残りの英語Writingは、PCやクラウドの自動翻訳をどんどん使っても良さそうです!

あとがき

最初のEnglish Reading資料にあるように、英語情報は、12億人のため、日本語情報の1.2憶人の10倍です。デマや誤報などの内容妥当性にも注意が必要とあります。納得できます。

人口減少の日本と英語圏との知的情報差は、今後さらに広がります😭。

第2言語、技術者スキルとしての英語、必要性は高まるばかりです。少し長めですが貴重な “日本語表記” の資料、是非目を通してください。

Azure RTOS習得(5):Mutexとセマフォ

Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォを使ったプロジェクトを作成し、スレッド間の排他制御方法を説明します。Azure RTOSでは、ミューテックスとバイナリセマフォが、同じ機能であることも判ります。

先にまとめ、次に詳細の順で説明します。

ミューテックスとバイナリセマフォは同じ動作結果
ミューテックスとバイナリセマフォは同じ動作結果

まとめ

Azure RTOS排他制御には、ミューテックスやリソースアクセス数1のバリナリセマフォが使われます。

STM32G4評価ボードにミューテックスとバリナリセマフォサンプルコードが無いため、STM32G0C1E-EVのTx_Thread_Syncサンプルコードを流用し、AzureRtosMutexSemaプロジェクトを作成しました。

作成したAzureRtosMutexSema プロジェクトを使い、Azure RTOS排他制御を、STM32G4評価ボードにArduinoプロトタイプシールドを追加し、ミューテックスは、バイナリセマフォと同じ動作結果をもたらすことを示しました。

リソースアクセス数2以上のカウントセマフォは、排他制御だけでなくイベント通知にも使えますが、優先度逆転など注意事項もあります。

本稿説明のAzure RTOS APIは、下記です。

・ミューテックス/セマフォ取得:tx_mutex / semaphore_getと、TX_NO_WAIT
・ミューテックス/セマフォ開放:tx_mutex / semaphore_put
・スレッド処理中断:tx_thread_sleepと、コンテキストスイッチ
・セマフォ優先度の逆転、ミューテックス優先度の継承と、TX_INHERIT / TX_NO_INHERIT

単純なAzure RTOS排他制御は、ミューテックス利用が良さそうです。

STM32G4 Azure RTOSサンプルコード探し

STM32G4(Cortex-M4/170MHz)評価ボード:NUCLEO-G474REへのAzure RTOSサンプルコードは、現在3個、この中にミューテックスやセマフォを使うサンプルコードはありません。

対策は、キューサンプルコードの前稿と同じです。CubeIDEのInformation Centerℹ️でImport STM32CubeMX exampleをクリックし、Example SelectorタブでThreadXにチェックを入れて流用できるサンプルコードを選定します。

選定したSTM32G0C1E-EVのTx_Thread_Suncコードを、STM32G4へ流用します。

STM32G4 Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォサンプルコードの探し方
STM32G4 Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォサンプルコードの探し方

Tx_Thread_Syncプロジェクト

ミューテックスやセマフォは、スレッド間の排他制御に用います。しかし、サンプルプロジェクト名は、“Sync”:同期となっていて違和感があります。

サンプルプロジェクトのreadme.htmlを読むとミューテックスとバリナリセマフォを使っていますので、ミューテックスとバイナリセマフォの排他制御利用例であることは、間違いありません。

サンプルの2つのスレッドは、それぞれLED点灯の独立した制御です。プロジェクトが示したいのは、LED点灯の直列制御、この直列化のため、ミューテックス、または、バイナリセマフォを同期手段として用いたからと筆者は、解釈しました。

つまり、手段のミューテックスやバイナリセマフォよりも、制御結果からプロジェクト名を付けたのだと思います。

面白いのは、このTx_Thread_Syncは、1プロジェクト内で、ミューテックスとバイナリセマフォをマクロで切替え、両者が同じ結果をもたらすことを示している点です(最初のVCP出力参照)。

しかしながら弊社は、Azure RTOSの排他制御手段でのプロジェクト名や日本語コメントを付けます。

AzureRtosMutexSemaプロジェクト

下表が、Tx_Thread_Syncの処理内容です。STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REとArduinoプロトタイプシールド用に、赤の工夫を加えました。

スレッド名 処理内容:スレッド1/2のLED点灯排他制御

(LD2:評価ボード単体+
Arduinoプロトタイプシールド

優先度 プリエンプション閾値
スレッド1 1) 排他オブジェクト取得確認
2) 成功時LED1 500ms/5秒トグル後、オブジェクト開放
3) 失敗時排他オブジェクト取得待ち
10 10
スレッド2 1) 排他オブジェクト取得確認
2) 成功時LED2 500ms /5秒トグル後、オブジェクト開放
3) 失敗時排他オブジェクト取得待ち
10 10

排他オブジェクトは、マクロでTX_MUTEX定義済みならミューテックス、未定義ならバイナリセマフォ利用に変更できます。

AzureRtosMutexSemaプロジェクト作成

AzureRtosMutexSemaプロジェクト作成方法も、AzureRtosEventFlagの時と同じです。

汎用テンプレートAzureRtos0をコピー&別名AzureRtosMutexSemaでペーストし、AzureRtosMutexSemaプロジェクトを作成します。ペースト先のAzureRtos0.icoは、AzureRtosMutexSema.icoへRenameします。

これで、AzureRtosMutexSemaプロジェクトのひな型ができました。

STM32G0C1E-EV のTx_Thread_Syncコードapp_threadx.c/hを流用し、AzureRtosQueueプロジェクトの、app_threadx.cとapp_threadx.h へ追記します。追記コードの一部抜粋が下記です。

app_threadx.c追記例

app_threadx.c追記ソースコード抜粋
app_threadx.c追記ソースコード抜粋

app_threadx.h追記例

app_threadx.h追記ソースコード抜粋
app_threadx.h追記ソースコード抜粋

Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォ

サンプルコードは、ミューテックスがデフォルト利用ですので、Azure RTOSミューテックスで説明します。

スレッド1/2は、優先度、プリエンプション閾値ともに同じです。

しかし、スレッド1を先に生成し即実行(TX_AUTO_START)しますので、常にスレッド1が排他オブジェクト:ミューテックスを先に取得(tx_mutex_get)し、LED1トグル点灯を5秒間続けます。5秒経過後、ミューテックスを開放(tx_mutex_put)し、1ティックの10msスリープ(tx_thread_sleep)します。この処理を繰返します。

スレッド2は、開始後オブジェクト:ミューテックス取得を狙いますが、スレッド1取得済みのため待ち無し(TX_NO_WAIT)で取得狙いを繰返します。スレッド1のミューテックス解放で、ミューテックスを取得し、LED2トグル点灯を5秒間続けます。5秒経過後、ミューテックスを開放し、10msスリープするのは、スレッド1と同じです。

ミューテックスオブジェクトにより、スレッド1/2が排他動作します。

ここで、ミューテックス解放後の1ティックスリープは重要です。このスリープが、スレッド1/2のコンテキストスイッチを行います。試しにスリープをコメントアウトすると、排他制御が働きません。

app_thread.x.h L60のマクロUSE_TX_MUTEXをコメントアウトすると、バイナリセマフォ(tx_semaphore_get/tx_semaphore_put)を使ってミューテックスと同じ動作結果が確認できます。

Azure RTOSサイトのカウントセマフォを読むと、カウントセマフォは、排他制御だけでなくイベント通知にも使用可能です(前稿キュー イベント チェーンがその利用例)。また、デットロックやスレッド優先度の落とし穴、“優先度の逆転”(Priority Inversion)などの利用時注意事項もあります。

排他制御だけなら、ミューテックス利用がシンプルで良さそうです。但し、“優先度の逆転”対策の“優先度の継承”(Priority Inheritance)オプション:TX_INHERITが必要です。サンプルコードは、TX_NO_INHERITです。

※優先度の逆転、優先度の継承を試すには、スレッド1/2以外の第3のスレッドが必要です。第3スレッドは、スレッド1/2の中間の優先度と、1/2排他制御とは無関係なことも必要です。この逆転、継承もRTOSらしい機能ですが、サンプルコード実装は無く、各自でお試しください、ということでしょう。

ミューテックス/バイナリセマフォ排他制御の結果、ArduinoプロトタイプシールドのLED1とLED2が、交互に点滅を繰返すことが確認できます。

オリジナルプロジェクト名:“Sync”が示すようにLED1/2は同期して交互点滅している、と記述することも可能です。

RTOS文章直列記述→並列動作マッピング

本サンプルコードは、わずか2個スレッドです。それでも、RTOS処理を文章で記述する難しさを感じます。文章は、動作を「直列」で記述することが得意だからです。

RTOS処理は、複数のスレッドが「並列」に動作します。勿論、シングルコアで時分割動作なので、実際に動作しているのは、RTOSを含め1個です。ですが、これを判り易く文章化するのは、結構難しいことです。

例えば、本稿スレッド1/2のtx_thread_sleepです。開発者同士なら、ソースコードを見せれば、それで事足ります。しかし、そもそもRTOS理解レベルが不明の顧客へ、スリープの目的や意味を説明しても、判ってもらえるでしょうか?

RTOS開発は、開発アプリの顧客向け資料作成でも苦労しそうです😭。

RTOS習得には、公式サイト文章記述の各種RTOS機能を、サンプルコードへ変換後、さらに、個々の開発者が、サンプルコードと評価ボードを使って「納得するまで色々変えてみること」が必要だと思います。

この試行で、直列記述の文章で表現されたRTOS動作が、開発者の中でRTOS並列動作へマッピングされます。RTOS習得・開発には、並列動作マッピングの過程が最重要だと思います。

Azure RTOS習得(4):メッセージキュー

Azure RTOSのキューを使ったプロジェクトを作成し、スレッド間のメッセージ送受信方法を説明します。メッセージキューは、比較的判り易い機能です。先にまとめ、次に詳細の順に説明します。

まとめ

Azure RTOSメッセージキュー送受信
Azure RTOSメッセージキュー送受信

Azure RTOSのスレッド間メッセージ送受信には、キューが用いられます。

STM32G4評価ボードのAzure RTOSメッセージキューサンプルコードが無いため、NUCLEO-G0B1REのTx_Thread_MsgQueueサンプルコードを流用し、AzureRtosQueueプロジェクトを作成しました。

作成したAzureRtosQueueプロジェクトを使い、基本的なAzure RTOSメッセージキュー機能を、STM32G4評価ボードにArduinoプロトタイプシールドを追加し説明、動作確認しました。

本稿説明のAzure RTOS APIは、下記です。

・メッセージキュー作成:tx_queue_create
・メッセージキュー送信:tx_queue_send
・メッセージキュー受信:tx_queue_receiveと、TX_NO_WAIT / TX_WAIT_FOREVER
・メッセージキュー送信時通知:tx_queue_send_notifyと、キュー イベント チェーン

複数のQメッセージを受信スレッドで処理し、かつ、メッセージ無しの時、受信処理を中断する場合は、Azure RTOSキュー イベント チェーン(Queue Event chaining)機能が効果的です。

STM32G4 Azure RTOSサンプルコード探し

現在、STM32G4(Cortex-M4/170MHz)評価ボード:NUCLEO-G474REへのAzure RTOSサンプルコードは、3個、この中にキューサンプルコードはありません。

そこで、逆にExample Selectorから流用できるキューサンプルコード:Tx_Thread_MsgQueueを探します。選定条件は、利用中のCubeIDE版数(v1.9.0)、評価ボード(Nucle-64)に近いものが良いでしょう。

CubeIDEのInformation Centerℹ️でImport STM32CubeMX exampleをクリックし、Example SelectorタブでThreadXにチェックを入れて選定します。

選定したNUCLEO-G0B1REのTx_Thread_MsgQueueコードを、STM32G4へ流用します。

STM32G4 Azure RTOSキューサンプルコードの探し方
STM32G4 Azure RTOSキューサンプルコードの探し方

AzureRtosQueueプロジェクト

下表が、Tx_Thread_MsgQueueの処理内容です。STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REとArduinoプロトタイプシールド用に、赤の工夫を加えました。評価ボード+Arduinoプロトタイプシールドの目的は、Azure RTOS習得(2)を参照してください。

スレッド名 処理内容:Q1/Q2によるメッセージ送受信

(LD2:評価ボード単体+
Arduinoプロトタイプシールド

優先度 プリエンプション閾値
送信スレッド1 500ms毎にSET_GRN_LEDメッセージをQ1へ送信
Q送信失敗時、LD2点灯+停止
5 5
送信スレッド2 1s毎にRESET_GRN_LEDメッセージをQ2へ送信
Q送信失敗時、LD2点灯+停止
5 5
受信スレッド Q1とQ2、両方からメッセージ受信
Q1受信成功時、LED1トグル点灯+VCP出力
Q2受信成功時、LED2トグル点灯+VCP出力
受信失敗時、LD2点灯+停止
10 10

AzureRtosQueueプロジェクト作成

AzureRtosQueueプロジェクト作成方法は、前稿のAzureRtosEventFlagと同じです。汎用テンプレートAzureRtos0をコピー&別名AzureRtosQueueでペーストし、AzureRtosQueueプロジェクトを作成します。ペースト先のAzureRtos0.icoも、AzureRtosQueue.icoへRenameします。

これで、AzureRtosQueueプロジェクトのひな型ができました。

NUCLEO-G0B1REのTx_Thread_MsgQueueコードapp_threadx.c/hを流用し、AzureRtosQueueプロジェクトの、app_threadx.cとapp_threadx.h へ追記します。追記コードの一部抜粋が下記です。

app_threadx.c追記例

app_threadx.c追記ソースコード抜粋(橙色は注意箇所)
app_threadx.c追記ソースコード抜粋(橙色は注意箇所)

app_threadx.h追記例

app_threadx.h追記ソースコード抜粋
app_threadx.h追記ソースコード抜粋

Azure RTOSメッセージキュー

Azure RTOSのスレッド間メッセージ送受信には、メッセージキューが用いられます。

送信スレッド1/2のtx_queue_sendで、Q1/2へメッセージ送信、受信スレッドのtx_queue_receiveで、Q1/2からメッセージ受信、メッセージ内容を確認し、受信成功ならLED1/2をトグル点灯させます。

送信スレッド1/2は、同じ優先度とプリエンプション閾値です。送信間隔が同じ500msだと煩雑ですので、スレッド2は、1秒送信間隔へ変更しました。

Azure RTOSメッセージキューの送受信は、比較的判り易い機能です。メッセージキューを作り(tx_queue_create)、そのQへの送受、STのKnowledge Baseに判り易いアニメもあります。

しかしながら、受信スレッドが、複数Qからのメッセージ処理を行い、かつ、メッセージ無しの時に無限待ち(TX_WAIT_FOREVER)の場合には、キュー イベント チェーン(Event chaining)が効果的です。

本サンプルは、複数Qからの受信処理を行いますが、待ち無し(TX_NO_WAIT)の例です。

AzureRtosQueueプロジェクトVCP出力
AzureRtosQueueプロジェクトVCP出力

キュー イベント チェーン

Azure RTOS ThreadX 機能第 3 章の中程に、“キュー イベント チェーン”の説明があります。簡単に抜粋すると、

本受信スレッドのようにQ1とQ2の両方からメッセージを受信し、メッセージ無しの時、受信中断もある場合は、Q1/Q2に通知関数を登録(tx_queue_send_notify)し、カウントセマフォを使うキュー イベント チェーンが有効。キュー イベント チェーンなしでの実現は“非常に困難”。

流用サンプルコードのreadme.htmlにもキーワード:Event chainingがあります。しかし、このキュー イベント チェーンは未実装です。

カウントセマフォなしでは非常に困難でRTOSらしい機能ですが、各自でお試しください、ということでしょう😢。本ブログもこの方針に従いました。

Azure RTOS習得(3):新規Azure RTOSプロジェクト

Azure RTOS習得3回目は、新規STM32CubeIDE Azure RTOSプロジェクト作成方法と、STM32CubeMX生成ソースコードの、どこに、何を、追加すれば良いかを説明します。

新規「汎用」Azure RTOSプロジェクト

前稿で、STM32G4(Cortex-M4/170MHz)評価ボード:NUCLEO-G474REへArduinoプロトタイプシールドを追加し、最も基本的なAzure RTOS ThreadXサンプルコードのTx_Thread_Creation動作を解説しました。

このTx_Thread_CreationサンプルコードのTx_Thread_Creation .icoから、新規の「汎用」AzureRtos0プロジェクトを作成します。

汎用の意味は、このAzureRtos0プロジェクトへセマフォやキューなどのRTOS機能を追加し、Azure RTOS習得に使うからです。

残念ながら現時点では、STM32G4用Azure RTOSセマフォやキューのサンプルコードは無いため、これらRTOS単独機能を持つプロジェクトを自作する訳です。

AzureRtos0プロジェクトから自作予定のAzure RTOS機能プロジェクトが以下です。

・AzureRtosEventFlagプロジェクト(本稿)
・AzureRtosQueueプロジェクト
・AzureRtosMutexプロジェクト
・AzureRtosSemaphoreプロジェクト

Tx_Thread_Creation .ico

STM32CubeIDE(以下CubeIDE)の新規STM32プロジェクトは、様々な作成方法があります。

ただ、Azure RTOSプロジェクトは、STM32CubeMX(以下CubeMX)の設定に、ベアメタル開発と異なる注意が必要です。このような時は、既に設定済みのCubeMX Configuration File (.ico)を流用すると、注意事項を含んだ新規プロジェクト作成が簡単にできます。

Azure RTOSプロジェクトのCubeMX設定の注意事項は、別途投稿します。本稿は新規Azure RTOSプロジェクト作成に焦点を置き説明します。

新規汎用AzureRtos0プロジェクト作成

Tx_Thread_Creation .icoを流用したAzureRtos0プロジェクト作成手順が下記です。

① CubeIDEのInformation Centerℹ️でStart new project from STM32CubeMX file(.ioc)クリック
② STM32CubeMX ico fileにTx_Thread_CreationのTx_Thread_Creation .ico選択、Project NameにAzureRtos0を入力しFinishクリック

Tx_Thread_Creation.ico流用の新規プロジェクト作成
Tx_Thread_Creation.ico流用の新規プロジェクト作成

③ PA5ユーザラベルをLD2へ変更、PC4とPC5をGPIO Output、ユーザラベルLED1、LED2に設定、PC7をGPIO Input、ユーザラベルS1に設定(LD2は評価ボード、LED1/2、S1は追加Arduinoプロトタイプシールドのポート)

ユーザラベル変更とArduinoプロトタイプシールドポートLED1/2とS1追加
ユーザラベル変更とArduinoプロトタイプシールドポートLED1/2とS1追加

④ Project>Generate Codeをクリックし、初期設定コードとAzure RTOSプロジェクトファイル生成
⑤ main.c L92へ、下記タイトルVCPメッセージ出力HALコード追記

VCPメッセージ出力HALコード追記
VCPメッセージ出力HALコード追記

⑥ ビルドし、評価ボードへダウンロード
⑦ Tera Termなどのターミナルソフトで追記VCPメッセージを確認し、新規汎用AzureRtos0プロジェクト動作確認

新規汎用AzureRtos0プロジェクト動作確認
新規汎用AzureRtos0プロジェクト動作確認

Azure RTOSイベントフラグ機能追加

AzureRtos0プロジェクトへ、イベントフラグを使ってメインスレッドとスレッド1/2間同期を行う機能を追加し、AzureRtosEventFlagプロジェクトを作成します。

このプロジェクトは、Azure RTOS ThreadXサンプルコードと同じ処理内容です。従って、Azure RTOS ThreadXサンプルコードが、AzureRtos0へ追記するコードの代用に使えます。

始めに、AzureRtos0プロジェクトファイルの、どこに、何を追加するかを説明し、次章で実例を示します。

追記ファイル 追加内容
Core>Src>
app_threadx.c
1) UINT App_ThreadX_Init()へ、イベントフラグ生成関数、追加スレッド生成関数
2) 追加スレッドのエントリ関数(メイン関数)
Core>Inc>
app_threadx.h
追加スレッド優先度、プリエンプション閾値などのマクロ

RTOSであっても、ベアメタル開発で機能追加する時と同じ追記ファイルと追加内容です。

違いは、App_ThreadX_Init()の中でイベントフラグや追加スレッドを生成すると、直にRTOS動作を開始(TX_AUTO_START)する点です。従って、ベアメタル関連main.c/hの変更点は、VCP出力メッセージの変更程度です。

つまり、RTOS関連とベアメタル関連、それぞれのメインエントリー(メイン関数)があり、RTOS動作追加だけなら、main.c/hは不変でも構いません。

筆者は、cファイルとhファイルを一緒に記述したい派です。しかし、CubeMXがこれらを分離してRTOS関連ファイルを生成しますので、このファイル分離に従い追記します。

スレッド優先度やプリエンプション閾値を変えれば、Azure RTOS動作が簡単に変わりますので、分離の方が好ましいのかもしれません(動作変更例は、Azure RTOS習得(2)の4章:メインスレッド参照)。

AzureRtosEventFlagプロジェクト作成

AzureRtos0プロジェクトはテンプレートとして様々なプロジェクトで利用しますので、CubeIDEでAzureRtos0プロジェクトをコピーし、別名のAzureRtosEventFlagプロジェクトとしてペーストして使います。ペースト先のAzureRtos0.icoも、AzureRtosEventFlag.icoへRenameします。

これで、AzureRtosEventFlagプロジェクトのひな型ができました。

AzureRtosEventFlagプロジェクトの追記部分抜粋が下記です。追記コードは、Azure RTOS ThreadXサンプルコードです。

CubeMX生成コメントの、/* USER CODE BEGIN … */、/* USER CODE END …*/が、追記ガイドに役立ちます。

※手抜きご希望の方は、Azure RTOS ThreadXサンプルのapp_threadx.cとapp_threadx.hを、そのままAzureRtosEventFlagのapp_threadx.cとapp_threadx.hへ上書きしてもOKです😅。但し、LED1/2への出力は変更してください。

AzureRtosEventFlagプロジェクトへ追記後、ビルドし評価ボードへダウンロードします。

App_threadx.c追加例

app_threadx.c追記ソースコード抜粋
app_threadx.c追記ソースコード抜粋(下線は要変更)

app_threadx.h追加例

app_threadx.h追記ソースコード抜粋
app_threadx.h追記ソースコード抜粋

AzureRtosEventFlagプロジェクト動作確認

AzureRtosEventFlagプロジェクトは、スレッド1がArduinoプロトタイプシールドのLED1制御、スレッド2がLED2制御を行う以外は、Azure RTOS ThreadXサンプルコードと同じ動作です。

従って、同じ動作を確認しAzureRtosEventFlagプロジェクト作成の成功です。

作成したAzureRtosEventFlagプロジェクトを使って、イベントフラグの制御、スレッド1/2優先度やプリエンプション閾値変更によるArduino LED 1/2動作変化を確認し、イベントフラグ機能を習得してください。

本稿で作成したAzure RTOSイベントフラグの機能は、前稿で説明済みですので、割愛します。

まとめ

Azure RTOS ThreadXサンプルコードのTx_Thread_Creation.icoを流用した、新規汎用AzureRtos0プロジェクト作成方法を示しました。

汎用AzureRtos0プロジェクトに、RTOS機能別プロジェクト例として、イベントフラグ機能を追加したAzureRtosEventFlagプロジェクトを作成し、Azure RTOS ThreadXサンプルコードと同じ動作を、評価ボードにArduinoプロトタイプシールド追加し確認しました。

機能追加したAzureRtosEventFlagプロジェクトにより、汎用AzureRtos0プロジェクトソースコードのどこに、何を追記するかを示しました。

今後、AzureRtos0プロジェクトへセマフォなどの機能を追加し、Azure RTOS機能別習得をすすめます。

付記:日本語文字化け対策

デフォルトのSTM32CubeIDEとSTM32CubeMXを使ってプロジェクト開発時、日本語文字化けが発生します。過去投稿済みの対策を付記します。

STM32CubeMXのプロジェクトGenetate Code実行「前」に、
STM32CubeIDEの設定変更
① Windows>Windows>Prefernces>Colors & font>文字セットを「日本語」へ設定
② Project>Properties>Text file encordhingをOthers:「Shift-JIS」へ設定

以上で、Genetate Codeしソースコードが上書きされても、日本語文字化けは無くなります。