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。

Azure RTOS習得(1):習得方針

Microsoft公式Azure RTOS ThreadXサイト
Microsoft公式Azure RTOS ThreadXサイト

Microsoft公式、Azure RTOS ThreadXサイトを紹介します。

前稿最後で示したSTM32G4 Azure RTOS ThreadXサンプルコード付属readme.html理解には、Azure RTOS ThreadX基礎知識が必要です。基礎知識獲得には、Microsoft公式サイトが最適です。

本稿は、公式サイトを簡単に説明し、今後のAzure RTOS習得方針を示します。

Azure RTOS習得方針

筆者は、物事を効率的に理解する時、初めはあまり細部に拘らず全体を俯瞰的に捉え、次の段階で不明な点を明らかにする、既に知っている事柄と比較する、などの方法を好みます。

Azure RTOS習得も、この方法でアプローチしたいと思います。

これは、FreeRTOS習得(2020年版)と同じ方法です。その結果、開発したのがNXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

最終的には、STM32G4 Azure RTOS ThreadXサンプルコード付属readme.html理解とST版Azure RTOSアプリケーションテンプレート開発、2022年版Azure RTOS習得サイト作成が目標です。

Azure RTOS ThreadX公式ユーザガイド

公式サイトトップページには、Azure RTOS概要と、ユーザガイドのショートカットが掲載されています。概要は、疲れた時や気分転換時に読むとして、肝心のAzure RTOS ThreadXユーザガイドをクリックします。

現れるのが、Azure RTOS ThreadXユーザガイド目次です。

第 1 章:Azure RTOS ThreadX 概要とリアルタイム組込み開発
第 2 章:Azure RTOS ThreadX インストール
第 3 章:Azure RTOS ThreadX 機能動作
第 4 章:Azure RTOS ThreadX API
第 5 章:Azure RTOS ThreadX アプリケーションドライバー作成
第 6 章:Azure RTOS ThreadX デモアプリケーション

第3章が、Azure RTOS ThreadX理解ポイントのようです。

Azure RTOSとFreeRTOS比較:状態遷移図、優先度

Azure RTOS(左)とFreeRTOS(右)状態遷移比較
Azure RTOS(左)とFreeRTOS(右)状態遷移比較

RTOS理解に必須なのが、スレッド/タスクの状態遷移です。左が第3章:記載のAzure RTOS、右が弊社FreeRTOS習得記載のFreeRTOS状態遷移です。Azure RTOSは、全5状態ありFreeRTOS比+1、スレッド登録後、即Suspendedになる遷移もあります。

RTOS処理対象を、Azure RTOSはスレッド、FreeRTOSはタスクと呼びます。

優先度は、Azure RTOSは数値が小さい方が高く、FreeRTOSは大きい方が高い、つまり真逆です。

などのAzure RTOSとFreeRTOSの違いが第3章から判ります。

Azure RTOS ThreadXサンプルコードキーワード

・ThreadX、Thread、Event flags、Preemption threshold

前稿最後で示したSTM32G4 Azure RTOS ThreadXサンプルコード付属readme.html記載のキーワードです。サンプルコード理解には、これらが重要であることを示しています。

公式ユーザガイド第3章日本語訳によると、Preemption thresholdとは、プリエンプション閾値のこと。Azure RTOS独特の高度機能です。この部分の要旨を抜粋すると、

・プリエンプション閾値利用で、プリエンプションを無効にする優先度の “上限” を指定可能。上限より高い優先度スレッドは、引き続きプリエンプト可能だが、上限より低いスレッドは、プリエンプト不可。
・優先度20スレッドが、15~20優先スレッドグループやり取りで説明。優先度20スレッドは、セクション処理中、プリエンプション閾値を15 に設定すると、他の全スレッドのプリエンプションを防止。
・これにより、非常に重要なスレッド (優先度 0 から 14 まで)は、クリティカルセクション処理中でもスレッドをプリエンプトでき、応答性が大幅に向上。
・スレッドでプリエンプション閾値を0に設定し、全プリエンプションを無効にすることも可能。また、プリエンプション閾値は実行時に変更可能。

英語原本の機械翻訳だと思いますので、解り難い箇所もありますが、今はOKとしましょう😂。

プリエンプション:Preemptionとは

プリエンプションとは何かを、IT用語辞典から抜粋しました。

・RTOSが、実行中のスレッド/タスクを強制的に一時中断し、他のスレッド/タスク実行に切り替えること。
・このRTOS切り替えを「コンテキストスイッチ」(context switching)と呼び、プリエンプションで停止していたスレッド/タスクを再開させる操作を「ディスパッチ」(dispatch)と呼ぶ。
・殆どの現代RTOSは、「プリエンプションを利用」し処理を時分割多重。
・歴史的には、スレッド/タスク側が自ら決めたタイミングで自発的にRTOSへ制御を返却するノンプリエンプティブマルチタスク、あるいは、協調的マルチタスクもあった。

Azure RTOS/FreeRTOS、どちらもプリエンプションを利用します(FreeRTOSは本稿:状態遷移参照)。違いは、Azure RTOSが、スレッド毎にプリエンプション閾値を持つこと。RTOS任せにせずスレッドが、明示的に優先度制御を行う点です。

STM32G4 Azure RTOS ThreadXサンプルコードは、このスレッドによる優先度変更とイベントフラグが解れば解析できそうです(次回解析予定)。

まとめ

Microsoft公式Azure RTOS ThreadXサイトを利用したAzure RTOS習得方針を示しました。

STM32G4 Azure RTOS ThreadXサンプルコード付属readme.html理解に、Azure RTOS ThreadXユーザガイド第3章から、

・Azure RTOSとFreeRTOS状態遷移は異なる
・Azure RTOS優先度は0が最高位、FreeRTOSは値が大きい程優先度が高く、両者は真逆
・Azure RTOSスレッド応答性を向上させるPreemption threshold:プリエンプション閾値機能がある

などが判りました。この方針に則って、Azure RTOS習得を続けます。

STM32 Azure RTOS開発ツール拡充

2022年4月20日、STマイクロエレクトロニクス(以下ST)は、Azure RTOS開発ツールを拡充し、より幅広いSTM32MCU対応を発表しました。拡充したSTM32MCUリストが下記です。

List of STM32 with X-Cube-AZRTOS Package(出典:The ST blog)
List of STM32 with X-Cube-AZRTOS Package(出典:The ST blog)

弊社販売中STM32G0xテンプレートで使ったSTM32G0や、テンプレート開発中のSTM32G4も、Azure RTOS開発が容易になりました。

CMSIS RTOSからAzure RTOSへ

今回の発表前までは、販売中のNXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートに続き、STM32G4を使ってST版“CMSIS-RTOS”アプリケーションテンプレートを構想していました。

しかし、今回のAzure RTOS開発ツール充実発表を受け、“CMSIS-RTOS”から“Azure RTOS”対応へ変更することにしました。STのAzure RTOSサンプルコードが活用でき、また、Microsoft公式Azure RTOS情報もあるからです。

※ARM社規定のCMSIS RTOSは、FreeRTOSやAzure RTOSをラップ(wrapper)するRTOSです。同じCMSIS RTOS APIでFreeRTOSまたはAzure RTOSが使え、開発アプリケーション流用性は高まります。但し、ラップ関数分のオーバーヘッドが生じます。詳しくは、構想投稿の4章を参照してください。

STがAzure RTOS開発ツールMCUを拡充した背景は、Microsoft Azureクラウド接続IoT MCUの急増だと思います。リストアップした9種のSTM32MCUが、IoT MCU有力候補と言えます。

Azure RTOS開発ツールインストール方法

STM32G4を例に、Azure RTOS開発ツールインストール方法を示します。現在のSTM32G4開発ツールが、下記版数です。

・STM32CubeIDE v1.9.0               (以下CubeIDE)
・STM32CubeMX v6.5.0               (以下CubeMX)
・STM32Cube FW_G4 v1.5.0        (以下FW_G4)
・X_CUBE_AZRTOS_G4 v1.0.0    (以下AZRTOS_G4)

X-CUBE-AZRTOS-G4が、今回発表したSTM32G4のAzure RTOS開発ツールです。

FreeRTOSは、CubeMXのMiddlewareに実装済みです。一方、Azure RTOS は、ExpansionsパッケージのAZRTOS_G4によりCubeMXへ機能追加します。Expansionsパッケージ追加のため、少し手間がかかります。

① CubeIDEのHelp>Manage Embedded Software Packagesクリック
② Embedded Software Packages ManagerのSTMicroelectronicsタブ選択
③ X_CUBE_AZRTOS_G4のAvailable Version 1.0.0を選択し、Installクリック

X-CUBE AZRTOS-G4のインストール
X-CUBE AZRTOS-G4のインストール

AZRTOS_G4インストール後、使用コンポーネントの選択が必要です。

④ CubeMXのPinout & Configurationタブ内Software Packsをクリック
⑤ Select Components(Alt+O)を開き、Software Packs Component Selectorで追加Azure RTOSコンポーネント:RTOS ThreadX/File system FileX/USB LevelX…などを選択し、OKクリック

STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REを使う場合は、RTOS ThreadXを選択し、Core/Low Power supportを選択すれば十分です。但し、念のため、Performance InfoやTraceX supportも選択しておきます。

インストールしたAzure RTOS ThreadX版数が、6.1.8であることも判ります。

Software Packs Component Selector
Software Packs Component Selector

Azure RTOS ThreadXサンプルコードインポートと動作確認

インストールしたAZRTOS_G4が正常動作するかをAzure RTOS ThreadXサンプルコードと評価ボード:NUCLEO-G474REで確かめます。確認方法が下記です。

① CubeIDEのInformation CenterからImport STM32Cube exampleをクリック
② STM32 Project from STM32Cube ExamplesのExample Selectorタブで、BoardのName:NUCLEO-G474RE、Middleware:ThreadXを選択

STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REのAzure RTOSサンプルコード
STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REのAzure RTOSサンプルコード

STM32G4 Azure RTOS ThreadXサンプルコードは、現在3個です。最も基本的な、

③ Tx_Thread_Creationを選択し、Finishクリック。CubeIDEへTx_ThreadX_Creationサンプルコードがインポート。
④ CubeIDEのTx_Thread_Creation.iocをクリックし、CubeMXで、Generate Code(Alt+K)を実行
⑤ CubeIDEでTx_Thread_Creationをビルドし、評価ボードへダウンロード
⑥ 評価ボードのLED2が、500ms点滅と200ms点滅を3回繰返し、その後1秒点滅に変わる

以上で、STM32G4 Azure RTOS開発ツールのX_CUBE_AZRTOS_G4インストールを、ThreadXサンプルコードで動作確認しました。

使用したTx_ThreadX_Creationサンプルコードの説明は、次週以降に行う予定です。直ぐ知りたい方は、Tx_ThreadX_Creationフォルダ内readme.htmlを参照してください。

まとめ

STが、STM32G0やSTM32G4、STM32U5などのIoT MCUに対し、Azure RTOS開発ツール拡充を発表しました。

STM32G4を例に、CubeMXへExpansionsパッケージのX_CUBE_AZRTOS_G4でAzure RTOS機能の追加方法、Azure RTOS ThreadXサンプルコードインポート、NUCLEO-G474REでThreadXサンプルコードの動作確認をしました。

STM32G0(Cortex-M0+/64MHz)、STM32G4(Cortex-M4/170MHz)、STM32U5(Cortex-M33/160MHz)は、弊社IoT MCUテンプレートの開発対象です。

今回の発表を受け、STM32G4のRTOSを、CMSIS-RTOSからAzure RTOSへ変更し、ST版Azure RTOSアプリケーションテンプレート開発を計画中です。

組込み開発 基本のキ:RTOS vs. ベアメタル

RTOS vs. BareMetal
RTOS vs. BareMetal

2022年最初の投稿は、RTOSとベアメタルを比較します。RTOSを使わないベアメタルMCU開発者が多いと思いますので、RTOS開発メリット/デメリットをベアメタル側から評価、RTOSデバッグツール紹介とベアメタル開発の意味を考えました。

RTOS目的

Flexible Software Package構成
Flexible Software Package構成

ルネサスRAファミリのFlexible Software Package構成です。左上Azure RTOSやFreeRTOSの中に、ConnectivityやUSBがあります。これらMCU共有資源を管理するシステムソフトウェアがOSで、PCのWindowsやMac、Linuxと機能的には同じです。

Real-Time性が必要な組込み用OSをRTOSと呼び、FreeRTOSやAzure RTOSが代表的です。これは、IoT MCU接続先が、Amazon Web Services(AWS)クラウドならばFreeRTOSライブラリ、Microsoft AzureクラウドならAzure RTOSライブラリ(図のConnectivity)利用が前提だからです。

※2021年のIoTクラウドシェアは、コチラの関連投稿からAWS>Azure>GCPの順です。

RAファミリに限らず、クラウド接続のIoT MCUは、これらRTOSライブラリを使ったRTOS開発になります。

RTOSメリット/デメリット

例えば、ベアメタルでUSB制御を自作する場合は、USB 2.0/3.0などの種類や速度に応じた作り分けが必要です。ライブラリがあるRTOSなら、USBポートへの入出力記述だけで利用可能です。RTOSが共有資源ハードウェア差を吸収し、アプリケーションが使い易いAPIを提供するからです。

RTOSの資源管理とは、MCUコア/Flash/RAM/周辺回路/セキュリティなどの共有資源を、アプリケーション側から隠蔽(≒ブラックボックス化)すること、とも言えます。

RTOSアプリケーションは、複数タスク(スレッドと呼ぶ場合もあり)から構成され、タスク間の優先制御もRTOSが行います。開発者は、単体処理タスクを複数開発し、それらを組み合わせてアプリケーションを構成します。RTOSアプリケーション例が下図、灰色が開発部分、コチラが関連投稿です。

Data flow diagram for a smart thermostat(出展:JACOB'S Blog)
Data flow diagram for a smart thermostat(出展:JACOB’S Blog)

RTOS利用メリット/デメリットをまとめます。

メリットは、

・RTOSライブラリ利用により共有資源活用タスク開発が容易
・移植性の高いタスク、RTOSアプリケーション開発が可能
・多人数開発に向いている

デメリットは、

・複数タスク分割や優先順位設定など、ベアメタルと異なる作り方が必要
・共有資源、特にRAM使用量がタスク数に応じて増える
・RTOS自身にもバグの可能性がある

簡単に言うと、RTOSとベアメタルは、「開発作法が異なり」ます。

ソフトウェア開発者は、RTOS利用と引換えに、自己流ベアメタル作法を、RTOS作法へ変えることが求められます。RTOS作法は、標準的なので多人数での共同開発が可能です。もちろん、ベアメタルよりもオーバーヘッドは増えます。このため、RTOS利用に相応しい十分なMCUコア能力も必要です。

RTOSタスク開発 vs. ベアメタルアプリケーション開発

最も効果的なRTOS作法の習得は、評価ボードを使って実際にRTOSタスク開発をすることです。弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、この例です。

それでも、RTOSタスク開発作法を文章で記述すると、以下のようになります。

開発対象がアプリケーションからタスク(スレッド)へ変わることが、ベアメタルとの一番の違いです。Windowsタスクバーにあるフィルダ表示や、ペイントなどと同様、タスクは、単機能の小さいアプリケーションとも言えます。

このタスクを複数開発し、複数タスクを使ってRTOSアプリケーションを開発します。タスクには、それぞれ優先順位があり、他のタスクとの相対順位で実行タスクがRTOSにより決まります。タスクの状態遷移が、RTOSへの備え:第2回、タスク管理で示した下図です。

FreeRTOS Task States
FreeRTOS Task States

ベアメタルアプリケーションとは異なり、優先順位に応じてタスクが実行(Running)され、その実行も、定期的に実行可能状態(Ready)や待ち状態(Suspended)、停止状態(Blocked)へRTOSが変えます。これは、リアルタイムかつマルチタスク処理が、RTOSの役目だからです。遷移間隔などは、RTOS動作パラメタが決めます。

ベアメタル開発は、開発者が記述した通りに処理が実行されますが、RTOS開発のタスク実行は、RTOS任せです。RTOS開発難易度の上がる点が、ここです。

一般的なIoT MCUは、シングルコアですので、実行タスク数は1個、多くの他タスクは、Not Running(super state)状態です。RTOSがタスクを実行/停止/復活させるため、スタックやRAM使用量が急増します。

これら文章を、頭の中だけで理解できる開発者は、天才でしょう。やはり、実際にRTOSタスクを開発し、頭の中と実動作の一致/不一致、タスク優先順位やRTOS動作パラメタ変更結果の評価を繰返すことで、RTOS理解ができると凡人筆者は思います。

ベアメタル開発者が手早くRTOSを理解するには、既にデバッグ済みの複数RTOSタスク活用が便利で、FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、この要求を満たしています。概要は、リンク先から無料ダウンロードできます。

文章でまとめたFreeRTOS解説が、コチラの弊社専用ページにあります。また、本ブログ検索窓にFreeRTOSと入力すると、タスク開発例などが参照できます。

RTOSデバッグツール

percepio tracealyzer
percepio tracealyzer

さて、RTOS作法に則ってタスク開発し、RTOS動作パラメタも適切に設定しても、思ったように開発タスクが動作しない時は、ブラックボックスRTOS自身のバグを疑う開発者も多いでしょう。RTOSのバグ可能性もありえます。

この疑問に対して強力にRTOS動作を解析できるFreeRTOSデバッグツールがあります。資料が無料でダウンロードできますので、紹介します。

※このツールを使うまでもなく、弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、正常動作を確認済みです。

まとめ:RTOS vs. ベアメタル

IoT MCUのクラウド接続 → 接続クラウド先のRTOSライブラリ必要 → RTOSライブラリ利用のRTOS開発が必要、という関係です。

RTOS開発は、ベアメタルと開発作法が異なる複数タスク開発です。タスクは、優先順位に応じてRTOSがMCU処理を割当てます。また、MCU共有資源がRTOSアプリケーションから隠蔽されるため、移植性が高く多人数での大規模開発にも向いています。

一方で、RTOSオーバーヘッドのため、ベアメタルよりも高いMCU能力が必要です。

シングルコアMCUでは、RTOSとベアメタルのハイブリッド開発は困難です。開発者がRTOSを利用するなら、慣れたベアメタル開発から、RTOSタスク開発への移行が必要です。

ベアメタル開発経験者が、効果的にRTOSタスク開発を習得するには、評価ボードと複数RTOSタスクが実装済みの弊社RTOSアプリケーションテンプレートの活用をお勧めします。

ベアメタル開発意味

RTOSのタスク処理待ち(セマフォ/Queue)を使うと、ベアメタルよりも排他/同期制御が簡単に記述できます。それでも、全てのMCU開発がRTOSへ移行することは無いと思います。様々なセンサデータをAD変換するエッジMCUは、ベアメタル開発、エッジMCUを複数個束ねクラウドへ接続するIoT MCUは、RTOS開発などがその例です。

MCU開発の基本は、やはりRTOS無しの「ベアメタル開発」です。

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

ベアメタル開発スキルを基にRTOSを利用してこそ、RTOSメリットを活かしたタスクやアプリケーション開発ができます。共有資源ブラックボック化、多人数開発のReal-Time OSは、「ベアメタル開発の補完」が起源です。

PC OSとは全く逆のこの生い立ちを理解していないと、効果的なRTOS利用はできません。近年MCU性能向上は著しいのですが、向上分をRTOSだけに振り分けられる程余裕はなく、IoTセキュリティなどへも配分する必要があります。

この難しい配分やRTOS起因トラブルを解決するのが、ベアメタル開発スキルです。弊社マイコンテンプレートは、主要ベンダのベアメタル開発テンプレートも販売中、概要ダウンロード可能です。

組込み開発 基本のキ:バックナンバー

2022年最初の投稿に、筆者にしては長文すぎる(!?)のRTOS vs. ベアメタルを投稿したのは、今年以降、RTOS開発が急速に普及する可能性があるからです。

クラウド接続からRTOS必要性を示しましたが、セキュリティなど高度化・大規模化するIoT MCU開発には、移植性の高さや多人数開発のRTOSメリットが効いてきます。

また、半導体不足が落ち着けば、RTOS向き高性能MCUの新しいデバイスが、各ベンダから一気に発売される可能性もあります。スマホ → 車載 → IoT MCUが、半導体製造トレンドです。

※現状のMCUコア関連投稿が下記です。
Cortex-M33とCortex-M0+/M4の差分
Cortex-M0からCortex-M0+変化
Cortex-M0/M0+/M3比較とコア選択

IoT MCU開発が複雑化、高度化すればする程、前章のベアメタル開発や、組込み開発の基礎技術:基本のキの把握が、開発者にとって益々重要になります。

組込み開発、基本のキ:バックナンバーを示します。年頭、基本を再確認するのはいかがでしょう?
組込み開発 基本のキ:組込み処理
組込み開発 基本のキ:IoT MCUセキュリティ



RAファミリFSP v3.5.0更新

ルネサスRAファミリのFSP(Flexible Development Package)が、12月9日、v3.5.0へ更新されました。RAファミリの特徴は、コチラの3章に投稿済みです。下記が、抜粋した2項目です。

・ARM Cortex-M33/M23/M4コア採用でIoTセキュリティ強化
・Eclipse IDEベースのKeilやIARなどのARM Ecosystemと無償GNUコンパイラ利用可能

RAファミリヒットの予感!

筆者は、RAファミリが、IoT MCU日本人開発者にヒットする予感がします。

Arduinoシールドコネクタ付き+外付けエミュレータ無しで開発できる低価格評価ボード、コンパイラ容量制限無し、CMSIS開発などは、競合他社に追いついた感じですが、FreeRTOS/Azure RTOS両RTOSへの早い対応、オリジナル内蔵周辺回路や買収各社のフロントエンド化、SOTBなどの製造プロセスは、多くのルネサス開発経験者を引き付ける魅力を持つからです。

この魅力を最大限引出すツールが、FSPです。簡単に言うと、HAL(Hardware Abstraction Layer)API生成SDK(Software Development Kit)です。ルネサスは、Smart Configuratorと呼んでいますが…。

RA開発ポイントFSP構成

FSP v3.5.0の詳細は、ユーザーズマニュアル:UM(英文、全3206ページ)を参照してください(ページ数が多いのは、Chapter 4以降がAPIレファレンスだからです)。FSP構成を示します。

Flexible Software Package構成
Flexible Software Package構成

FSP生成HAL APIを利用すると、RAファミリ共通のアプリケーション開発ができます。また、FSPは、例えばREファミリなど、他のCortex-M系ファミリへ発展する可能性もあります。HALが、コア差を隠蔽できるからです。

※図からRenesas版CMSISと考えると判り易く、CMSISは、コチラの関連投稿3章を参照。

IoT MCUでは、アプリケーションの流用性、移植性は重要です。従来よりも開発規模が大きく、しかも、セキュリティなどのIoT技術適用には、業界標準インターフェースでの機能流用が効率的だからです。既存アプリケーションを出来るだけ流用し、顧客の新規追加開発部分を最小化することで早期開発を実現します。

RAファミリの開発ポイントは、FSPです。

UMの2.3 Tutorial: Your First RA MCU Project – Blinkyと2.4 Tutorial: Using HAL Driversを読んで解る方は、2.5 Primer: ARM TrustZone Project Developmentで、IoT MCUポイント:TrustZoneの理解をお勧めします。具体的なTrustZoneサンプルコードは、検索中です。見つかりましたら、本ブログで投稿します。

2.3や2.4が不明な方は、コチラの関連投稿を参考にしてください。

日本語FSP解説

RAファミリビギナーズガイド
RAファミリビギナーズガイド

日本語FSP解説が欲しい方は、RAファミリビギナーズガイド(全114ページ)の2~3章が役立ちます。但し、掲載サンプルコードは、UMに比べ少数です。

このガイドで注目して頂きたいのが、P98の下記です。

“セキュリティは重要です。また、それは後で追加することはできないため、初期段階から考える必要があります。少なくとも、コストのかかる再設計があれば、それに基づいてアプリケーション全体を破棄することも必要になるかもしれません。これは建物の土台と考えてください。それ自体は……。
それでも、この接続された世界の全てのアプリケーションにはセキュリティが不可欠なのです。”

IoT MCUのセキュリティ土台には、Cortex-M33のTrustZoneが業界標準です。Cortex-M33のRAファミリをプロトタイプ開発に使う理由は、後で追加できないTrustZoneが土台に内蔵のためです。

プロトタイプ開発初期は、TrustZone未使用でも構いません。後でIoTセキュティを追加する際に、プロトタイプ開発で使った土台を変更せずに内蔵TrustZoneを使えること、これがRAファミリをIoTプロトタイプ開発に使う最大メリットです。

FSP活用RAテンプレート構想

RAテンプレートは、FPB-RA6E1とFPB-RA4E1両方で動作確認
RAテンプレートは、FPB-RA6E1とFPB-RA4E1両方で動作確認

FSPには、多くのサンプルコードが掲載されています。弊社は、これら複数サンプルコードを簡単に流用し、早期プロトタイプ開発に使えるRAテンプレートv 1.0を、来年1Q目途に開発、RAファミリ中核MCUのRA6/4シリーズ評価ボードRA6E1/RA4E1の両方で動作確認し、販売を予定しています。

※既に販売中の各種テンプレートは、コチラをご覧ください。

最初にリリースするRAテンプレートv 1.0は、UM 2.3/2.4理解や基礎的なRA習得に役立つ初心者向けベアメタルプロトタイプ開発テンプレートとし、中級以上の開発者向けRTOS関連やTrustZoneは、v2.0以降で対応予定です。

RAテンプレートを使えば、FSP掲載の複数サンプルコードを流用したIoTプロトタイプ開発が、早期にできます。

IoTスキル獲得最適RAファミリ

全てのモノがネットへ接続するIoT時代は、開発対象が増えますが、“競合”開発者も増えます。本ブログ読者には、スキルを活かした更なる効率的開発が求められます。

読者個人によるIoTキーポイントのスキル習得は、自分への先行投資です。キーポイントとは、現行MCU開発スキルに加え、IoTセキュティとRTOSです。

個人レベルでこれらセキュティとRTOSスキル獲得に、Cortex-M33のRAファミリは最適です。前章の低コストの評価ボードと業界標準Eclipse IDEベース“無償”ARM Ecosystem(=e2 studio+FSP)が、ルネサスサイトから簡単に入手でき、入手後、スグに開発着手できるからです。コンパイラ容量制限もありません。

また、初心者はもちろん、中級以上のIoTスキル習得意欲を満たすルネサス公式情報も豊富です。コチラが、公式RAファミリ動画です。短い動画が多数ありますので、すきま時間でのチェックに適しています。

e2 studio日本語メニュー vs. 英語メニュー

e2 studio日本語メニュー化
e2 studio日本語メニュー化

日本語メニューのe2 studioを使うには、インストール時、カスタマイズ機能でJapanese Language Supportコンポーネントの手動追加が必要です。筆者は、英語メニューを愛用していますが、FSP v3.5.0更新を期に、試しに日本語化してみました。

日本語メニューは、横幅が広くなりますがショートカットキー付きです。また、全メニューが日本語訳になる訳ではありません。好みの問題ですが、競合他社Eclipse IDE同様、英語の方が使いやすいと筆者は感じました。

Bluetooth 5.3 LE対応RA開発中

Bluetooth 5.3対応の開発中RA MCU
Bluetooth 5.3対応の開発中RA MCU

2021年10月21日、ルネサスは、最新規格Bluetooth 5.3 Low Energy(LE)対応のRAファミリ新MCUを開発中と発表しました。RA搭載予定のBluetooth 5.3 LE機能と、ルネサス32ビットMCU におけるRAファミリの位置づけを示します。

搭載予定の最新Bluetooth 5.3 LE機能

PCとキーボード、スマホとヘッドホン間など近距離低消費電力無線通信規格としてBluetooth 5は、広く用いられています。MCU搭載例も多く、本ブログでも何件か投稿してきました(STマイクロのSTM32WB、Cypress/InfineonのPSoC6、NXPのKW41Z、Bluetooth 5規格)。

RAファミリでもBluetooth 5対応RA4W1が発売中です。開発中のRAは、新規格Bluetooth 5.3対応MCUです。

Bluetooth SIGが2021年7月13日に発表した新規格Bluetooth 5.3は、Bluetooth 5に、スループットと信頼性、エネルギー効率向上など様々な機能を追加しました。詳細は、Bluetooth SIG サイトのBluetooth Core Specification v5.3で判ります。

開発中の新RAには、これらBluetooth 5.3機能に加え、Bluetooth 5.1で追加された方向検知機能、Bluetooth 5.2で追加されたステレオオーディオ伝送用アイソクロナスチャネルも対応予定です。また、ソフトウェア無線(SDR)機能の搭載により、後日リリースされる新たな規格への移行も可能だそうです。

つまり、新RAは、Bluetooth 5以降の新Bluetooth機能満載のIoT MCUで、しかも、SDRにより新しい機能追加も可能な、“万能”近距離低消費電力無線通信付きIoT MCUになりそうです。

2022年1~3月サンプル出荷予定

最新規格Bluetooth 5.3 Low Energy対応、開発中RA MCUのサンプル出荷は、2022年第1四半期(1~3月)が予定されています。

RAファミリ位置づけ

独自コア、ARMコア、開発環境など様々なルネサス32ビットMCUファミリ差が一目で判る図が、コチラの記事にあります。

RAファミリ位置づけ(出展:記事に加筆)
RAファミリ位置づけ(出展:記事に加筆)

IoT MCU開発者の立場からRAファミリを分析すると、

・ARM Cortex-M33/M23/M4コア採用でIoTセキュリティ強化
・Eclipse IDEベースのKeilやIARなどのARM Ecosystemと無償GNUコンパイラが使える

などRXファミリやSynergyでは不可能であった、手軽で低コスト、個人レベルでも開発可能な32ビットIoT MCUと言えます。

RAファミリ向けルネサスEcosystemは、Eclipse IDEベースのe2 studioです。また、RAファミリ専用Flexible Software Package(FSP)によるAPI生成ツールは、ピン互換性、周辺回路共通性があるため、RAファミリ内での開発ソフトウェア移行や移植も容易になる特徴があります。

無償GNUコンパイラのFlash容量制限などもありません。

RAファミリ開発方法

開発中のBluetooth 5.3 LEが新たに周辺回路に追加されますが、e2 studioやFSPによるRAファミリ開発方法は、汎用RA MCUのRA4E1 Fast Prototype Boardの使い方や、FreeRTOSの使い方と同じです。

RAファミリ開発の早期着手、習得したい方は、上記リンクを参考にしてください。

Flexible Software Package v3.4.0更新

FSPは、10月7日にv3.4.0へバージョンアップしました。

e2 studio 2021-10のHelp>check updatesではFSP v3.3.0から自動更新しません。FSPサイトから最新v3.4.0をダウンロードし、手動でアップグレート更新する必要があります。

Flexible Software Packageのアップグレード
Flexible Software Packageのアップグレード

v3.4.0を別の場所にインストールすれば、旧v3.3.0との併存も可能です。

RA4E1 Fast Prototype BoardのFreeRTOS使い方

RA4E1 Fast Prototype BoardへFreeRTOSを適用
RA4E1 Fast Prototype BoardへFreeRTOSを適用

RAファミリ評価ボードRA4E1 Fast Prototype Board (Cortex-M33/100MHz、Flash/512KB、RAM/128KB)(以降FPB)の、スイッチS1でLED2を点灯するFreeRTOS適用例を示します。RAファミリビギナーズガイド9章記載のEK-RA6M4評価キットを使った処理内容と同じです。

e2 studio 2021-10は、Project>Change Deviceで対象MCUデバイス変更機能がありますが動作しません。そこで、ガイド掲載のEK-RA6M4を手動でRA4E1へ変更し、FPBでFreeRTOSのセマフォを利用し、S1押下げ割込みとLED2トグル点灯を同期させるFreeRTOSサンプルコードを示します。

このコードを使い、前稿よりも具体的にFPBとFlexible Software Package(以降FSP)の使い方、今回は使わないTrustZoneのメリットを示すのが、本稿の目的です。

RA4E1 Fast Prototype Board(FPB)のRTOSとTrustZone

IoT MCUをクラウド接続するには、RTOSが必要です。AWS(Amazon Web Services )接続にはFreeRTOSライブラリ、Microsoft Azure接続にはAzure RTOSライブラリの利用が前提だからです。

また、クラウド接続には、TrustZoneなどハードウェアによるセキュリティ対策も要求されますので、RTOSとTrustZoneは、IoT MCUの必須2技術です。

ハードウエアセキュリティは、開発後、簡単に追加することが困難です。今回はTrustZone未使用ですが、IoTプロトタイプ開発にTrustZone内蔵Cortex-M33を用いるのは、例え未使用でも製品セキュリティ処理の具体的検討ができるなど、IoTセキュリティを開発初期から考慮した設計となるからです。

これが使わないTrustZoneのメリットです(TrustZone使用例も、いずれ投稿予定)。

本稿は、先ずFreeRTOSをFPBへ適用します。FreeRTOS新規プロジェクト作成、API生成ツールFSP設定、FSP生成ファイルへのタスク追記の順に説明します。

Step1:FreeRTOS新規プロジェクト作成

最新版e2 studio(2021-10)の新規FreeRTOSプロジェクトは、File>New>C/C++Projectとクリックし、①~⑥の手順で作成します。

FreeRTOS新規プロジェクト作成
FreeRTOS新規プロジェクト作成

②プロジェクト名は、任意です。③Boardは、PFB-RA4E1を選択します。

④TrustZone未使用時のプロジェクトを、“Flat”と呼びます。これは、TrustZone使用時、セキュアと非セキュアの2プロジェクト並存が必要となりメモリ領域を分割することに対する、平坦なメモリ使い方に起因していると思います。

※メモリ領域分割は、PCハードディスクのパーティション分割をイメージして頂ければ判り易いでしょう。例えサイバー攻撃を受けても、物理的に侵入できないメモリ領域を作り、ここへ最重要情報やソフトウェアを保存する訳です。

⑤FreeRTOSを選択します。ベアメタル(No RTOS)とAzure RTOSも選択可能です。⑥Minimalを選択し、FinishクリックでFreeRTOS(TrustZone未使用)新規プロジェクトが完成です。

各選択肢を変えると、前稿で説明した多種類の新規プロジェクトが作成できることが解ります。

Step2:Flexible Software Package(FSP)設定

Flexible Software Package (FSP)設定
Flexible Software Package (FSP)設定

新規プロジェクト作成のFinishクリックで、FSPパースペクティブオープンを聞いてきますので、開きます。

①プロジェクトSummaryが表示されます。Stacksタブを選択、②New Stackをクリックし、External IRQ Driver on r_icuを選択します。新しい外部割込みドライバがStackに追加され、③プロパティが表示されます。

FPBのユーザスイッチS1は、P205(IRQ1)に接続済みです。そこで、③プロパティのirq0をirq1、TriggerをFalling、Digital FilteringをEnable、Callbackをexternal_irq1_callbackに変更します。

次にセマフォ追加のため、④ObjectsのNew Objectsをクリックし、Binary Semaphoreを選択します。⑤プロパティSymbolをg_s1_semaphoreに変更します。

RA4E1 Fast Prototype BoardのSW1 P205(IRQ1)の確認
RA4E1 Fast Prototype BoardのSW1 P205(IRQ1)の確認

最後に、⑥pinsタブをクリックし、ユーザスイッチS1:P205(IRQ1)とIOピン割当てをGUIで確認します。

以上でFSP設定は完了です。Generate Project Contentをクリックすると、APIや割込みコールバック関数、関連ファイルが自動生成されます。

Step3:FSP生成ファイルへタスク追記

FreeRTOSセマフォ同期処理
FreeRTOSセマフォ同期処理

FSPが生成したファイル:led_thread_entry.cに上記コードを追加します。このコードは、LED初期化と無限ループ処理から構成されます。RAビギナーズガイド掲載のirq10をirq1へ変更したLEDタスクです。

コールバック関数external_irq1_callbackは、Developer AssistanceのLED Threadを開くと一番下に割込みコールバック関数が生成済みですので、これをドラッグ&ドロップして追加します。

LEDタスク追加後、ビルドしFSBへダウンロード、デバッガ起動後、再開を2回クリックして実行中の様子が上図です。FSBのS1クリックでLED2がトグル点灯します。

FreeRTOS Queueサンプルコード

前章は、RAファミリビギナーズガイド9章のEK-RA6M4評価キットFreeRTOSセマフォサンプルコードを、RA4E1 Fast Prototype Board(FPB)へ流用したコードです。変更箇所は、irq10をirq1へ変えただけです。

FSPには、FreeRTOS Queueサンプルコード:freertos_fpb_ra4e1_epも付属しています。これら2つのサンプルコードを理解すれば、セマフォとQueueを使う基本的なFreeRTOSソフトウェア開発が可能です。

FreeRTOS待合せ手段としては、セマフォ/Queue以外にもMutexやイベントグループなどの手段もあります。弊社ではFreeRTOS基礎固めを目的として、Hardware Independent FreeRTOS Exampleを応用したセマフォ/Queue活用のFreeRTOSテンプレート化を目指しています。RA/REテンプレートもこの方針で開発する予定です。

この方針で開発したNXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、コチラから概要がダウンロード可能です。

まとめ

RA4E1 Fast Prototype Board(FPB)へ、RAファミリビギナーズガイド掲載FreeRTOSサンプルコードを流用し、ユーザスイッチS1とLED2点灯をセマフォで同期させました。

FreeRTOS新規プロジェクト作成、Flexible Software Package(FSP)設定、FSP生成ファイルへのタスク追記の具体的操作手順を示しました。

ガイド9章には、更に詳細な説明がありますので、参考になります。例えば、スイッチ割込み優先度12を利用する理由、systick優先度15が予約済みであるなどです。

TrustZoneは未使用ですが、プロトタイプ開発初期からIoTセキュリティを考慮した設計ができるメリットがあります。

FSP付属Queueサンプルコードと本セマフォコードを使ってFreeRTOS基礎固め目的のRA/REテンプレート開発を進めます。

Cortex-M4評価ボードRTOSまとめ

低価格(4000円以下)、個人での入手性も良い32ビットARM Cortex-M4コア評価ボードのRTOS状況を示します。超低価格で最近話題の32ビット独自Xtensa LX6ディアルコアESP32も加えました。

Vendor NXP STマイクロ Cypress Espressif Systems
RTOS FreeRTOS
Azure RTOS
CMSIS-RTOS FreeRTOS
Mbed OS
FreeRTOS
Eva. Board LPCXpresso54114 NUCLEO-G474RE CY8CPROTO-063-BLE ESP32-DevKitC
Series LPC54110 STM32G4 PSoC 6 ESP32
Core Cortex-M4/150MHz Cortex-M4/170MHz Cortex-M4/150MHz
Cortex-M0+/100MHz
Xtensa LX6/240MHz
Xtensa LX6/240MHz
Flash 256KB 512KB 1024KB 480KB
RAM 192KB 96KB 288KB 520KB
弊社対応 テンプレート販売中 テンプレート開発中 テンプレート検討中 未着手

※8月31日、Cypress PSoC 6のRTOSへ、MbedOSを追加しました。

主流FreeRTOS

どのベンダも、FreeRTOSが使えます。NXPは、Azure接続用のAzure RTOSも選択できますが、現状はCortex-M33コアが対応します。ディアルコア採用CypressのRTOS動作はM4側で、M0+は、ベアメタル動作のBLE通信を担います。STマイクロのCMSIS-RTOSは、現状FreeRTOSをラップ関数で変換したもので実質は、FreeRTOSです(コチラの関連投稿3章を参照してください)。

同じくディアルコアのEspressifは、どちらもRTOS動作可能ですが、片方がメインアプリケーション、もう片方が通信処理を担当するのが標準的な使い方です。

価格が上がりますがルネサス独自32ビットコアRX65N Cloud Kitは、FreeRTOSとAzure RTOSの選択が可能です。但し、無償版コンパイラは容量制限があり、高価な有償版を使わなければ開発できないため、個人向けとは言えません。

※無償版でも容量分割と書込みエリア指定など無理やり開発するトリッキーな方法があるそうです。

クラウドサービスシェア1位のAWS(Amazon Web Services)接続用FreeRTOSが主流であること、通信関連は、ディアルコア化し分離処理する傾向があることが解ります。

ディアルコア

ディアルコアで通信関連を分離する方式は、接続クラウドや接続規格に応じて通信ライブラリやプロトコルを変えれば、メイン処理側へ影響を及ぼさないメリットがあります。

例えば、STマイクロのCortex-M4/M0+ディアルコアMCU:STM32WBは、通信処理を担うM0+コアにBLEやZigBee、OpenThreadのバイナリコードをSTが無償提供し、これらを入れ替えることでマルチプロトコルの無線通信に対応するMCUです。

メイン処理を担うM4コアは、ユーザインタフェースやセンサ対応の処理に加え、セキュティ機能、上位通信アプリケーション処理を行います。

通信処理は、クラウド接続用とセンサや末端デバイス接続用に大別できます。

STM32WBやCY8CPROTO-063-BLEが採用した末端接続用のBLE通信処理を担うディアルコアのCortex-M0+には、敢えてRTOSを使う必要は無く、むしろベアメタル動作の方が応答性や低消費電力性も良さそうです。

一方、クラウド接続用の通信処理は、暗号化処理などの高度なセキュティ実装や、アプリケーションの移植性・生産性を上げるため、Cortex-M4クラスのコア能力とRTOSが必要です。

デュアルコアPSoC 6のFreeRTOS LED点滅

デュアルコアPSoC 6対応FreeRTOSテンプレートは、現在検討中です。手始めに表中のCY8CPROTO-063-BLEのメイン処理Cortex-M4コアへ、FreeRTOSを使ってLED点滅を行います。

と言っても、少し高価なCY8CKIT-062-BLEを使ったFreeRTOS LED点滅プログラムは、コチラの動画で紹介済みですので、詳細は動画をご覧ください。本稿は、CY8CPROTO-063-BLEと動画の差分を示します。

CY8CPROTO-063-BLE のCortex-M4とM0+のmain_cm4.c、main_cm0p.cとFreeRTOSConfig.hが下図です。

PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLE FreeRTOS LED点滅のmain_cm4.cとmain_cm0.c
PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLE FreeRTOS LED点滅のmain_cm4.cとmain_cm0.c
PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLEのFreeRTOSConfig.h
PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLEのFreeRTOSConfig.h

日本語コメント追記部分が、オリジナル動画と異なる箇所です。

RED LEDは、P6[3]ポートへ割付けました。M0+が起動後、main_cm0p.cのL18でM4システムを起動していることが判ります。これらの変更を加えると、動画利用時のワーニングが消えCY8CPROTO-063-BLE でFreeRTOS LED点滅動作を確認できます。

PSoCの優れた点は、コンポーネント単位でプログラミングができることです(コチラの関連投稿:PSoCプログラミング要点章を参照してください)。

PSoCコンポーネント単位プログラミング特徴を示すCreator起動時の図
PSoCコンポーネント単位プログラミング特徴を示すCreator起動時の図

PSoC Creator起動時の上図が示すように、Cypressが想定したアプリケーション開発に必要なコンポーネントの集合体が、MCUデバイスと言い換えれば解り易いでしょう。つまり、評価ボードやMCUデバイスが異なっても、使用コンポーネントが同じなら、本稿のように殆ど同じ制御プログラムが使えます。

PSoC 6 FreeRTOSテンプレートも、単に設定はこうです…ではなく、様々な情報のCY8CPROTO-063-BLE利用時ポイントを中心に、開発・資料化したいと考えています。PSoCプログラミングの特徴やノウハウを説明することで、ご購入者様がテンプレートの応用範囲を広げることができるからです。

STM版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレート構想

販売中のNXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートに続いて、STマイクロエレクトロニクス版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレート構想を示します。

IoT MCU開発者にRTOS開発経験とスキルが必須であること、短期で効率的にRTOSスキルを磨けるSTマイクロエレクトロニクス版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレート構想を示し、汎用性、セキュリティ、広い流用性を持つSTM32G4をターゲットMCUにした理由を示します。

IoT MCU開発者スキル

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

IoT MCU開発者は、ベアメタルMCU開発スキルの上に、FreeRTOSやAzure RTOSなど接続するクラウドに応じたRTOSスキルが必要です。クラウド接続後、顧客要求のIoTサービスを実装しますが、実装時には、競合他社より早い開発スピードなどの差別化スキルも要求されます。

更に、IoTセキュリティや、より高性能なデュアルコアMCUへの流用、顧客横展開など、発展性への配慮も必要です。これらは、図示したようにベアメタルMCU開発スキルを基礎とする階層構造です。
※スキルとは、開発経験に基づいた手腕、技量のことです。

RTOS開発経験とスキル

全てのモノをネットワークへ繋ぐ時代は、従来のMCUからIoT MCUへの変革が必要です。IoT MCU開発者にとってRTOS開発経験とスキルは、近い将来必須になります。理由が下記です。

・RTOSライブラリ利用がクラウド接続に必須  👉①IoT MCU急増への備え
・大規模MCU開発にRTOSが便利(≒必須)   👉②開発規模拡大への備え
・ベアメタル開発よりもRTOS開発が効率的   👉③ソフトウェア資産への備え(補足参照)

つまり、過去何度も提言されたMCUソフトウェア資産化・部品化を、RTOSが実現するからです。逆に、IoT MCU開発では、このソフトウェア資産化・部品化(ライブラリ活用)無しには、実現できない規模・技術背景になります。
※例えば、IoTセキュリティだけでも専門家が対応すべき領域・規模・技術背景になりそうです。

IoT MCU開発の成功には、様々な専門家技術が活用できる土台のRTOSは必須です。IoT MCU開発専門家の一員となるには、RTOS開発経験とスキルは必須と言えるでしょう。

効率的RTOSスキル習得

ベアメタル開発経験者の効率的なRTOS基礎固め、スキル取得を弊社STM版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレートの目的とします。

この目的は、NXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートと同じです。違いは、NXP版がFreeRTOSを用い、STM版は、コード生成ツール:STM32CubeMXが出力するCMSIS-RTOSを用いる点です。

現時点のSTM版CMSIS-RTOS APIは、FreeRTOS APIをラップ(wrapper)したもので、中身はFreeRTOSそのものです。※CMSIS-RTOS詳細は、コチラの関連投稿を参照してください。

ベアメタル開発経験者のRTOS基礎固め・スキル獲得を、短期・効果的に達成するには、

・基本的RTOS待ち手段(タスク同期:セマフォとタスク間通信:Queue)理解
・RTOSプロトタイプ開発にも使える弊社テンプレートプロジェクト活用

が適しています。

既に持っているベアメタル開発経験を活かし、例えば、単独RTOSサンプルプロジェクトでは得られない複数タスク優先順位を変えた時の各タスク挙動や、RTOSセマフォ送受失敗時の挙動などスキルアップに役立つ事柄を、自ら評価・判断できるからです。この評価を助けるために、同じ動作のベアメタルプロジェクトもテンプレートに添付します。

効率的にRTOS開発スキルを習得する方法として、自己のベアメタル開発経験を使ってRTOS習得・スキルアップする本手法は、Betterな方法だと思います。

コチラにFreeRTOS習得に役立つ情報をまとめています。ポイントとなる点をざっと掴んで、実際の開発環境で試し、参考書やマニュアルなどの内容を開発者自ら考える、これにより新技術やスキルを、身に付けることができると思います。

STM版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレート構想

STM版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレートも、NXP版同様、同一動作のベアメタルプロジェクトを添付します。

RTOS/ベアメタルどちらのプロジェクトも、ADC入力、LCD出力、SWチャタリング対策入力、LED出力、VCOM入出力の動作確認済みで、プロトタイプ開発着手時のスタートプロジェクトとしても利用可能です。

付属説明資料には、ベアメタル視点からのCMSIS-RTOS説明を加えます。また、テンプレート利用CMSIS-RTOS APIとFreeRTOS APIの対応表も添付する予定です。

CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレートをご購入後、ベアメタル開発経験者が、RTOSプロジェクトとベアメタルプロジェクトの比較・評価がスグに始められる構成です。※比較・評価は、ご購入者ご自身で行ってください。

STM32メインストリームMCU比較(出展:STマイクロエレクトロニクスに加筆)
STM32メインストリームMCU比較(出展:STマイクロエレクトロニクスに加筆)

CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレート動作環境は、メインストリームMCUのSTM32G4評価ボード:NUCLEO-G474RE(Cortex-M4/170MHz、Flash/512KB、RAM/96KB)とHAL APIを用います。

STM32G4は、高性能で汎用性とIoT MCU基本的セキュティ機能を備え、RTOSテンプレートのターゲットIoT MCUとして最適です。

STM32G4のセキュリティ機能を示したのが下図です。

STM32G0とG4のセキュリティ対応(出展:STM32 Security対応表に加筆)
STM32G0とG4のセキュリティ対応(出展:STM32 Security対応表に加筆)

また、STM32G4の汎用性、他MCUへの開発ソフトウェア流用性の広さを示したのが下図です(詳細は、コチラの関連投稿3章を参照してください)。

NUCLEO-G474RE搭載のSTM32G474RETx Compatible MCU List。2021年8月時点で98MCU!
NUCLEO-G474RE搭載のSTM32G474RETx Compatible MCU List。2021年8月時点で98MCU!

NUCLEO-G474RE評価ボードの他には、ArduinoプロトタイプシールドとBaseboardを用います。

つまり、販売中のNXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレート評価ボード:LPCXpresso54114が、STマイクロエレクトロニクスNUCLEO-G474REにのみ変化した構成です。

CMSIS-RTOS動作もNXP版と同様、Hardware Independent FreeRTOS Exampleを基としますので、(両テンプレートをご購入頂ければ)STMとNXPのRTOSアプリケーション開発の直接比較なども可能です。

STM版CMSIS-RTOSアプリケーションテンプレートのリリースは、今秋のWindows 10 21H2更新後(Windows 11リリース後かも?)を予定しております。時間的に少し余裕がありますので、Cypress版PSoC 6ディアルコア対応FreeRTOSアプリケーションテンプレートも同時リリースできればBestだと考えています。

補足:③ソフトウェア資産への備え

ベアメタル開発でもソフトウェア規模が大きくなると、開発者が悩む点は、複数処理の待ち合わせ/制御順序です。対策は、処理を細かく分割し、優先度を考慮しつつ順次処理を行うのが常套手段です。

ところが、RTOSを使うと、この面倒な待ち処理や制御順序を、RTOSがタスク優先順位に応じて処理します。しかも、処理分割も、RTOSがTICK_RATE_HZ単位で勝手(!?)に行ってくれます😀。

RTOSにより、タスク数やTICK_RATE_HZ、最大優先順位に応じたスタックを大量に利用しますのでRAM使用量の増加、RTOS自身のオーバーヘッドなど副作用も生じますが、「タスク記述は、超簡単」になります。

初期設定と無限ループ、ループ内のRTOS待ち手段、優先順位を検討すれば、文字通り単一処理タスクを開発し、マルチタスク化はRTOSに任せます。

※ベアメタル開発経験者は、セマフォ、Queue、Mutex、イベントグループなどのRTOS待ち手段を、上記実現のためのAPIと捉えると、RTOS理解が早くなります。
※上記手法を使うと、ベアメタルサンプルプログラムもそのままRTOSへ組込めます。
※最も難しそうなのが優先順位検討ですが、ソース上で簡単に変更できます。
※RTOSマルチタスク処理を100%信頼した上での筆者感想です。

Cortex-M4コアでRTOSが使えMCUのFlash/RAMに余裕があれば、ベアメタル開発よりもRTOS開発の方が効率的に開発できると思います。また、この環境で開発したソフトウェアは、資産として別のRTOS開発へも使えるので個人ソフトウェア資産化も可能です。

上記は、RTOSの筆者感想です。弊社RTOSアプリケーションテンプレートをご購入頂き、各開発者でRTOSに対する独自感想を抱き、短期で効率的にRTOS開発経験とスキルを磨いて頂ければ幸いです。