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ベアメタルサンプルソフトを活用したFreeRTOSユーザタスクの作り方を示します。先に結論を言うと、ベアメタルサンプルソフト無限ループ内に、RTOS待ち処理を挿入するだけでFreeRTOSタスク開発ができます。

図1 ベアメタル処理とFreeRTOSタスク処理並列多重
図1 ベアメタル処理とFreeRTOSタスク処理並列多重

RTOS環境のユーザタスク開発

IoT MCUをAWSやAzureなどのクラウドへ接続する時には、FreeRTOSやAzure RTOSなどのRTOSが必須です。クラウド接続用のRTOSタスク集が入ったライブラリを利用するからです。もちろん、このライブラリ内のタスク開発は必要ありません。

問題は、このIoT MCU RTOS環境で、ユーザタスクをどのように開発するかです。

RTOSの目的は、タスク独立性とリアルタイムなタスク並列多重、MCUハードウェア隠蔽です。ベアメタル開発経験者にとっては、ソフトウェア動作環境が著しく異なることが解ります。

RTOS開発障壁を下げるアプローチ

そこで、ベアメタル開発経験者は、先ずこのRTOS環境の理解に努めます。

セマフォやミューテックス、QueueなどRTOS特有の手段を理解します。弊社も各種FreeRTOS機能を説明しましたし、ウェビナー等でも同様です。但し、このアプローチAは、「RTOSの手段」理解が最初に来ますので、障壁が高いと感じる方も多いでしょう。筆者はそうでした。

そこで、お勧めするのは、RTOS手段をざっと読んだら、今度は逆に「RTOSの目的」からRTOS環境で、複数ユーザタスクを並列多重するアプローチBです。

複数ユーザタクスを、どうすればRTOSへ組込むかを検討するこの逆アプローチBは、Aよりもベアメタル開発経験者向きで、しかもRTOS手段は後回しですので障壁が低く感じられます。

ベアメタル処理のFreeRTOSタスク化と並列多重

2個のベアメタル処理をタスク化し、RTOSで並列多重処理する例で考えます。

・処理#1:緑LEDを、1秒毎にトグル点灯
・処理#2:赤LEDを、SW押下げでトグル点灯

ベアメタル開発経験者なら、どちらの処理も簡単に開発できます。処理概要は、最初図1の左側になります。

違いは判断内容で、処理#1が1秒経過、処理#2がSW割込みです。もちろん、両処理を並列に多重するのは、ベアメタル開発では工夫が必要です。処理#1と#2は、別々のプロジェクト、例えば2個のサンプルプロジェクトとして提供されるのが一般的です。

両処理をタスク化して組込むRTOSには、LPCXpresso54114のSDK付属generic_freertosプロジェクトを用います。“generic”が示すように、ハードウェアに依存しない汎用的なFreeRTOSプロジェクトです(generic_freertosの詳細は、コチラの関連投稿を参照してください)。

RTOSへ組込んだ時のタスク処理概要が、図1の右側です。ベアメタルとの違いは、タスク#1は、遅延処理vTaskDelayを無限ループに加えること、タスク#2は、割込みISRからの同期セマフォ受信を無限ループに加えることだけです。

両処理へ追加したのは、どちらも「RTOS処理待ち」です。この処理待ちを、RTOSが解除/待ちに切替えることで、複数タスクが並列に動作します。

RTOSは、複数タスクを処理待ち状態にし、処理待ちタスクの中から優先順位に応じて1個のタスクを実行状態に割当てます。RTOS(Kernel)自身が、順位判断や実行タスクの切替え、タスク実行状態の保存/リカバリのためスタックプッシュ/ポップ処理を行い、それらの処理間隔がTICK_RATEです。

リアルタイムでタスクを切替えるには、高速なKernel動作(AWSによると25MHz以上)と短期間のTICK_RATE(通常1ms)が必要で、タスク数に応じてスタック使用量(AWS RAM 64KB以上)は急増します。
※数値で示したAWS FreeRTOS必須条件の詳細は、コチラのハードウェア最小仕様要件を参照してください。

要するに、RTOSへユーザタスクを追加するには、ベアメタルでユーザ処理を開発し、その無限ループ内にRTOS処理待ちを加えさえすれば、RTOSユーザタスクになります。

ベアメタル開発経験者がデバッグし慣れた処理がそのままRTOSユーザタスク開発にも使え、RTOS処理待ちは、generic_freertosに実装済みのセマフォとQueueのRTOS手段だけでも、リアルタイムタスク並列多重のRTOSアプリケーション開発ができます。

まとめ

本稿は、IoT MCU RTOS環境でユーザタスクを開発し、FreeRTOSへ実装する方法として、ユーザ処理をベアメタルで開発し、無限ループ内へRTOS処理待ちを加えタスク化する方法を説明しました。

RTOS処理待ちは、セマフォとQueueのRTOS手段を理解していれば、プロトタイプ段階のFreeRTOSアプリケーションとしては十分です。ユーザ処理を自主開発する代わりに、ベンダ提供のベアメタルサンプルソフトを活用すれば、豊富なサンプル処理のFreeRTOSタスク化も簡単です。

タスク化処理を組込むRTOSには、NXP)LPCXpresso54114 SDK付属のgeneric_freertosプロジェクトを使います。このプロジェクトは、ハードウェア非依存の汎用FreeRTOSプロジェクトで、セマフォとQueueを実装済みです。そこで、これら2つのRTOS手段を手始めに理解すれば、RTOS開発障壁も低くなります。

あとがき

本稿で示したユーザタスク追加方法により開発したNXP)LPCXpresso54114(Cortex-M4/150MHz、Flash/256KB、RAM/192KB)で動作確認済みのFreeRTOSアプリケーションテンプレートは、6Eにリリース予定です(ADC入力とLCD出力、VCOM入出力処理も追加済み)。

FreeRTOS Application Template (NXP Version)
FreeRTOS Application Template (NXP Version)

このテンプレートには、FreeRTOSプロジェクトに加え、同じアプリケーション動作のベアメタルプロジェクトも添付します。ベアメタル処理に処理多重の工夫を加えた弊社Cortex-M0+/M3コア向けBaseboardテンプレートを、Cortex-M4コアへも適用したベアメタルプロジェクトです。

FreeRTOS開発とベアメタル開発の、Flash/RAM使用量差、開発難易度、消費電力差などCortex-M4コアMCU開発で実務上知りたい事柄を直接比較・評価することが可能です。また、どちらのプロジェクトも、基本的アプリケーションのテンプレート(=スタートプロジェクト)としても活用でき、プロトタイプ開発に最適です(FreeRTOS/ベアメタルの2プロジェクト+説明資料、税込2000円)。

また、STマイクロエレクトロニクス)STM32G4(Cortex-M4/170MHz、Flash/512KB、RAM/96KB)対応版も開発を予定しています。

FreeRTOSアプリケーションテンプレートを使ったプロトタイプ開発の次の段階としては、セマフォやQueue以外のミューテックスやイベントグループなどのより高度なRTOS手段の利用や、高速でRAM使用量も少ないタスク通知手段などのチューニング開発へとステップアップすることです。

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2021年6E目標に、FreeRTOSアプリケーションテンプレート新発売(税込価格2000円予定)を目指しています。このFreeRTOSアプリケーションテンプレート構想を示します。

FreeRTOSアプリケーションテンプレート構想骨子

FreeRTOSアプリケーションテンプレート構成ボード
FreeRTOSアプリケーションテンプレート構成ボード
  • 実務利用可能なFreeRTOSアプリケーションテンプレート提供
  • FreeRTOS開発とベアメタル開発のアプリケーション直接比較可能
  • 第1弾はNXP)LPCXpresso54114のSDK(Software Development Kit)で開発、次回STMのコード生成ツールなど利用予定

FreeRTOSソフトウェア開発は面白いです。従来ベアメタル開発手法が使える部分と、新たにFreeRTOS向きの工夫が必要な部分、つまり差分があるからです。

弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、この面白さや差分を開発者に味わって頂き、IoT MCUのRTOS普及期に備えることを目的に開発しようと考えています。

対象者は、既にMCUベアメタル開発ができ、新たにFreeRTOSを習得したい開発者とします。過去に弊社テンプレートのご購入者様は、50%割引特典の1000円で購入できます。MCUコアは、FreeRTOS能力を十分引き出すCortex-M4クラスを利用します。

FreeRTOS講座問題点

MCUベンダによるFreeRTOS講座は、①FreeRTOS基礎知識、②FreeRTOSのIDE利用方法、③クラウド接続例など盛りだくさんの内容です。

  1. FreeRTOS基礎知識で、セマフォなどのFreeRTOS関連技術やタクス分割、ユーザタスクプライオリティ、RAM使用量増加などが理解できますが、サンプルコード以外の具体的なアプリケーションでもFreeRTOSを動作させたいと欲求不満になります。
  2. FreeRTOSのIDE利用時、特にコード生成ツールをIDEと併用する場合、①で使ったFreeRTOSサンプルソースコードに、更にベアメタル開発が前提のコード生成ツール出力コードも加わるため、追加分がFreeRTOS理解の邪魔になります。
  3. IoTクラウド接続にFreeRTOSは必須です。しかし、主流のAWS(Amazon Web Services)以外にもMicrosoftのAzureなどもあり、FreeRTOS以外の様々な知識(例えばMQTTプロトコルなど)がクラウド接続のためだけに必要です。

FreeRTOS本体とユーザ追加タスク、この「両方の動作」をしっかりと把握しないとFreeRTOS開発のメリットが享受できないこと、これがベアメタル開発との最大の差です。

FreeRTOSとベアメタルとの違いを理解することが最優先、2. はSDK利用で回避、3. は時期尚早です。

ベンダ講座の主旨は、①FreeRTOS基礎知識に加え、自社製品へのユーザ囲い込みも目的のため、②や③は必然です。しかし、現段階ではFreeRTOSそのものを知り、IoT MCUのRTOS普及期(FreeRTOS、Mbed OS、μITRONなど)に備えるためのツールが欲しいと思い、ネット検索しましたが見当たりません。

そこで、開発するのが弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

FreeRTOSアプリケーションとベアメタル比較

FreeRTOSサンプルコードは、セマフォなどのFreeRTOSで使う技術解説が目的です。従って、サンプル付属タスクはシンプルで解り易く作られています。

サンプルコードは、実務アプリケーションとは乖離しており、タスク分割やユーザタスクが複数ある時の優先順位設定、RAM使用量がベアメタル比どれ程増加するかなど肝心のFreeRTOS実務利用時ノウハウは、サンプルコードからは判りません。

そこで、弊社が過去提供してきたベアメタル開発のIoT Baseboardテンプレートと同じ動作のアプリケーションを、FreeRTOSを使って開発します。つまり、同じ評価ボードで同じアプリケーション動作を、FreeRTOSとベアメタルの両方で開発します。

ベアメタル開発IoT Baseboardテンプレート(評価ボードはFRDM-KL25Z、これがLPCXpresso54114に変る)
ベアメタル開発IoT Baseboardテンプレート(評価ボードはFRDM-KL25Z、これがLPCXpresso54114に変る)

FreeRTOS/ベアメタル両アプリケーションの比較により、複数実務タスクでの優先順位設定やRAM増加量が具体的に判ります。また、優先順位やRAM使用法などのFreeRTOS重要パラメタを変えた時の動作変化も判ります。

もちろん一例にすぎませんが、FreeRTOS/ベアメタルのアプリケーション差、開発困難/容易、消費電力差など、実務開発時に知りたい事柄を評価でき、かつ、基本的なFreeRTOSアプリケーションのテンプレートとしても利用可能です。
※FreeRTOS/ベアメタル評価は、ご購入者様ご自身で行ってください。

FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、下記動作を予定しています。

  • 評価ボード搭載LED周期点滅とVCOMメッセージ入出力
  • Arduinoプロトタイプシールド搭載ユーザSWプッシュによる搭載LED点滅
  • Baseboard搭載LCDメッセージ出力とポテンショメータADC変換値のLCD出力

FreeRTOS/ベアメタル両アプリケーションは、評価ボード+Arduinoプロトタイプシールド+Baseboardで動作確認済みです。FreeRTOSアプリケーションテンプレートには、FreeRTOS/ベアメタルそれぞれの動作プロジェクトファイルがあり、FreeRTOSアプリケーション詳細説明を付属資料へ添付します。
※ベアメタルアプリケーションの説明は、紙面が多くなり、過去弊社テンプレートご購入者様には不要ですので省略予定です。

SDKとコード生成ツールのAPI比較

FreeRTOSアプリケーションテンプレートの第一弾評価ボードは、NXPのLPCXpresso54114 (Cortex-M4/100MHz、256KB/Flash、192KB/RAM)を使います。

弊社MCU RTOS習得(2020年版)の解説にも使っていること、FreeRTOSサンプルコードが11種類と多く、かつSDKで提供されていることが理由です。

SDKとコード生成ツールのAPI比較は、コチラの関連投稿の3章をご覧ください。SDK利用を、関連投稿ではMCU設定タイプと記載しています。

APIパラメタが多いのがSDKです。このパラメタをFreeRTOS側でも使う可能性があること、コード生成ツールの使い方を別途説明しなくてもFreeRTOSサンプルコードのみに集中できること、これらも第一弾評価ボードにLPCXpresso54114を選定した理由です。

STマイクロエレクトロニクスのコード生成ツール:STM32CubeMXも、FreeRTOSアプリケーション開発に適応済です。第1弾はSDK利用ですが、STM32G4(Cortex-M4/170MHz、512KB/Flash、96KB/RAM)評価ボードなど、コード生成ツール利用のCortex-M4クラスMCUも、順次FreeRTOSアプリケーションテンプレートを開発したいと考えています。

クラウド接続はブラックボックスライブラリ利用

IoT MCUと接続するクラウドは、無償ではありません。接続には、クラウド側から有償接続ライブラリを取得し、これをIoT MCUのFreeRTOSへ組込んだ後、必要な接続APIを利用します。

有償ライブラリ自身は、ユーザがその内容を変える必要は無く、ブラックボックスとして利用するだけです。IoTクラウド接続時には必須ですが、FreeRTOS理解・習得時には不要です。

まとめ

Cortex-M4クラスのIoT MCUへFreeRTOSを利用するメリットは、独立の単体タクス設計ができ開発タスク資産化も容易なことです。

しかし、複数タスクをFreeRTOSで上手く動作させるには、タスク間の優先順位設計やRAMメモリ使用法などベアメタル開発には無かったFreeRTOS向けの新スキルが必要になります。

これらスキル習得とFreeRTOS基礎固め、FreeRTOS/ベアメタル比較評価のため、開発者個人で低価格購入できるFreeRTOSアプリケーションテンプレートを6E目標に開発予定です。これは、基本的なFreeRTOSアプリケーションのテンプレートとしても利用可能です。

発売時には、FreeRTOSアプリケーションで実際に使用した実務FreeRTOS技術、優先順位設計結果なども付属資料で示します。

本FreeRTOSアプリケーションテンプレートに関するご意見などは、info@happytech.jpへお寄せください。