MCUの5V耐圧ピン

弊社FreeRTOS習得ページで使う評価ボード:LPCXpresso54114(Cortex-M4/100MHz、256KB Flash、192KB RAM)は、FreeRTOSだけでなく、Mbed OSZephyr OSなどオープンソース組込みRTOSにも対応しています。多くの情報がありRTOSを学ぶには適した評価ボードだと思います。

LPCXpresso54114 Board power diagram(出典:UM10973に加筆)
LPCXpresso54114 Board power diagram(出典:UM10973に加筆)

さて、このLPCXpresso54114の電圧ブロック図が上図です。MCUはデフォルト3.3V動作、低電力動作用に1.8Vも選択可能です。一方、Arduinoコネクタへは、常時5Vが供給されます。

本稿は、このMCU動作電圧とArduinoコネクタに接続するセンサなどの動作電圧が異なっても制御できる仕組みを、ソフトウェア開発者向けに説明します。

MCU動作電圧

高速化や低電力化の市場要求に沿うようにMCU動作電圧は、3.3V → 3.0V → 2.4V → 1.8Vと低下しつつあります。同時にMCUに接続するセンサやLCDなどの被制御デバイスも、低電圧化しています。しかし、多くの被制御デバイスは、未だに5V動作が多く、しかも低電圧デバイスに比べ安価です。

例えば、5V動作HD44780コンパチブルLCDは1個500円、同じ仕様で3.3V動作版になると1個550円などです。※弊社マイコンテンプレートに使用中のmbed-Xpresso Baseboardには、5V HD44780コンパチブルLCDが搭載されています。

レベルシフタ

異なる動作電圧デバイス間の最も基本的な接続が、間にレベルシフタを入れる方法です。

TI)TXS0108E:8ビットレベルシフタモジュールの例で示します。低圧A側が1.8V、高圧B側が3.3Vの動作図です。A側のH/L電圧(赤)が、B側のH/L電圧(緑)へ変換されます(双方向なので、B側からA側への変換も可能です)。

8ビットレベルシフタTXS0108Eのアプリケーション動作(出典:TI:TXS0108Eデータシート)
8ビットレベルシフタTXS0108Eのアプリケーション動作(出典:TI:TXS0108Eデータシート)

レベルシフタ利用時には、電圧レベルの変換だけでなく、データレート(スピード)も重要です。十分なデータレートがあれば、1.8VのH/L波形は、そのまま3.3VのH/L波形へ変換されますが、データレートが遅いと波形が崩れ、送り側のH/L信号が受け側へ正確に伝わりません。

例えば、LCD制御は、複数のLCDコマンドをMCUからLCDへ送信して行われます。データレートが遅い場合には、コマンドが正しく伝わらず制御ができなくなります。

MCUの5V耐圧ピン:5V Tolerant MCU Pad

LPCXpresso54114のGPIOピンには、5V耐圧という属性があります。PIO0_0の[2]が5V耐圧を示しています。

LPCLPCXpresso54114の5V耐圧属性(出典:5411xデータシート)
LPCLPCXpresso54114の5V耐圧属性(出典:5411xデータシート)

5V耐圧を簡単に説明すると、「動作電圧が3.3/1.8V MCUのPIO0_0に、5Vデバイスをレベルシフタは使わずに直接接続しても、H/L信号がデバイスへ送受信できる」ということです。または、「PIO0_0に、1ビットの5Vレベルシフタ内蔵」と解釈しても良いと思います。

※ハードウェア担当者からはクレームが来そうな説明ですが、ソフトウェア開発者向けの簡単説明です。クレームの内容は、ソフトウェア担当の同僚へ解説してください😌。

全てのGPIOピンが5V耐圧では無い点には、注意が必要です。但し、ArduinoコネクタのGPIOピンは、5V耐圧を持つものが多いハズです。接続先デバイスが5V動作の可能性があるからです。

また、I2C/SPIバスで接続するデバイスもあります。この場合でも、MCU側のI2C/SPI電圧レベルとデバイス側のI2C/SPI電圧レベルが異なる場合には、レベルシフタが必要です。MCU側I2C/SPIポートに5V耐圧属性がある場合には、GPIO同様直接接続も可能です。

I2Cバスは、SDA/SCLの2本制御(SPIなら3本)でGPIOに比べMCU使用ピン数が少ないメリットがあります。しかし、その代わりに通信速度が400KHzなど高速になるのでデータレートへの注意が必要です。

LPCXpresso54114以外にも5V耐圧ピンを持つMCUは、各社から発売中です。ちなみに、マイコンテンプレート適用のMCUは、6本の5V耐圧GPIOを使ってmbed-Xpresso Baseboard搭載5V LCDを直接制御しています。

mbed-Xpresso Baseboard搭載5V HD44780コンパチLCDの3.3V STM32G071RB直接制御例
mbed-Xpresso Baseboard搭載5V HD44780コンパチLCDの3.3V STM32G071RB直接制御例

5V耐圧MCUデータシート確認方法

MCUのGPIOやI2C/SPIを使って外部センサやLCDなどのデバイスを制御する場合、下記項目を確認する必要があります。

  1. MCU動作電圧と被制御デバイス動作電圧は同じか?
  2. MCU動作電圧と被制御デバイス動作電圧が異なる場合、外付けレベルシフタを用いるか、またはMCU内蔵5V耐圧ピンを用いるか?
  3. MCU内蔵5V耐圧GPIOやI2C/SPIを利用する場合、そのデータレートは、制御に十分高速か?

5V耐圧ピンは、使用するMCU毎に仕様が異なります。MCUデータシートは、英語版なら「tolerant」、日本語版なら「耐圧」で検索すると内容確認が素早くできます👍。

MCU動作電圧と接続デバイス動作電圧が異なっても、MCUのH/L信号が被制御デバイスへ正しく伝わればデバイスを制御できます。

MCU動作電圧に合わせたデバイス選定やレベルシフタ追加ならば話は簡単ですが、トータルコストや将来の拡張性などを検討し、5V耐圧ピンの活用も良いと思います。

FreeRTOSサンプルコード(5)

MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコード調査最終回の本稿は、タスク数=3のプロジェクト、freertos_eventとfreertos_queue、freertos_genericを説明します。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=3

FreeRTOSプロジェクト:タスク数=3
Project Tasks heap_ Additional FreeRTOS APIs Additional Comments
freertos_event 3 4 xEventGroupCreate xEventGroupSetBits
xEventGroupWaitBits

タスクや割込みなどのイベントをグループ化し、他タスク制御。

セマフォと似ているがイベントの論理演算可能。

freertos_queue 3 4 xQueueCreate
xQueueSend
xQueueReceive
vQueueAddToRegistry
タスク間メッセージ通信デモ。キューは、順序維持FIFO構造。
freertos_generic 3 4

キュー、ソフトウェアタイマ、セマフォの組合せデモ。

FreeRTOS.orgサンプルコードに基づき作成。

※freertos_genericのAdditional FreeRTOS APIは、これまでのサンプルAPI組合せのため追加分なし。

FreeRTOS Project:freertos_event

イベントによるタスク制御は、セマフォに似ています。複数のセマフォを1つにまとめたイベントグループを作成(xEventGroupCreate)し、このグループ化した個々のイベント間で論理演算ができることが特徴です。

xEventGroupWaitBitsの例(出典:freertos_event.c)
xEventGroupWaitBitsの例(出典:freertos_event.c)

イベント間の論理演算ができるので、シングルイベントのセマフォよりも柔軟なタスク制御ができます。

FreeRTOS Project:freertos_queue

これまで説明してきたプロジェクトのタスク間制御には、ミューテックスやセマフォ、上記イベントなど全てビット単位のシグナルを使ってきました。最後に説明するプロジェクトfreertos_queueは、タスク間でメッセージを送受信します。

メッセージは、キュー=有限長FIFO(First In First Out)経由で送受信されますので、メッセージの順番は維持されますが、キューが溢れないような使い方が必要です。深すぎるキューはメモリ効率が悪く、浅いキューではメッセージが溢れます。深さ見積もりなどのためにプロトタイプ開発が必要でしょう。

例えば、複数センサ出力をMCUでまとめ、定期的にクラウドへ送信するようなFreeRTOSアプリケーションソフトの素になりそうなプロジェクトです。クラウドサービスにAmazon Web Service(AWS)を使う時には、専用のネットワーク接続ライブラリもFreeRTOSで提供されますので、このアプリケーションとの親和性も良いと思います。

FreeRTOS Project:freertos_generic

MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコード11個の説明の最後が、このfreertos_genericプロジェクトです。これまで説明してきた10個のサンプルコードを総合的にまとめたプロジェクトで、出典はhttp://www.freertos.org/Hardware-independent-RTOS-example.htmlです。

筆者の下手な説明よりも、実際にソースコードを見て頂くと丁寧なコメント付きです。このソースコードを読んでFreeRTOSの仕組みがすんなりと理解できれば、ベアメタルからFreeRTOSソフトウェア開発へのステップアップ初期段階は完了と言えるでしょう。つまり、10個サンプルコード習得度の自己評価に使えます。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=3の調査結果

  • 複数セマフォを1つにまとめたイベントグループタスク制御は、イベント間の論理演算が可能
  • キュー利用のタスク間メッセージ通信は、深さ設定にプロトタイプ開発が有効
  • freertos_genericは、SDK付属サンプルコード10個の習得度評価に使える
  • メモリ使用法は、heap_4を利用

まとめ:MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコード調査

5回に渡ってMCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコードをタスク数が少ない順に調査しました。基本的なFreeRTOS機能は、解説済み11個のサンプルプロジェクトでカバーされています。

各プロジェクトの追加分FreeRTOS APIのみを表で示し、しかも弊社サイトマイコンRTOS習得2017の内容は既にご存じという前提で説明したので、解りにくい部分もあったかもしれません。
要するに、ベアメタル開発にFreeRTOS APIを追加すればRTOSソフトウェア開発ができることを強調したかったからです。

FreeRTOSのマルチタスク並列動作、タスク間同期/競合回避手段、これらのFreeRTOS APIのみを理解すれば、ベアメタル開発経験がそのまま活かせます。

今回の1~5回の解説は、マイコンRTOS習得2020年版として2017年版サイトへ改版する予定です。改版後にご覧になれば解りにくさが改善されるかもしれません。

調査目的は、開発予定のベアメタルCortex-M4テンプレートへのRTOS機能応用でした。現時点で、応用内容は不明確です。しばらく時間を頂いて明確化します。

ただ、マルチタスクFreeRTOSと異なり、ベアメタルテンプレートは、全て自分の制御下タスクです。タスク間同期やメッセージ送受信も、特別な工夫なく簡単に実現できます。

FreeRTOS利用MCUのAWS接続(出典:Amazon FreeRTOSの開始方法に加筆)
FreeRTOS利用MCUのAWS接続(出典:Amazon FreeRTOSの開始方法に加筆)

上図のように、AWSへの接続やIoTセキュリティ機能追加など今後必須になるIoT MCUの機能実装は、専用ライブラリベース、特にFreeRTOSライブラリで提供される可能性が高いと予想できます。

これらライブラリは、ベアメタル開発でも利用可能ですが、FreeRTOSソフトウェアの方が親和性も高く開発が容易なことも事実です。

しかも、これら専用ライブラリで実行される処理内容は、本来我々開発者が変更を加えるべきでない定型処理です(もちろんプロパティなどのパラメタは、開発者依存です)。

いずれにしても、MCUXpresso54114を使ったFreeRTOSソフトウェア開発環境と基本機能は習得できたので、ベアメタルCortex-M4テンプレート開発へ活かしていきます。

FreeRTOSサンプルコード(4)

タスク数=2のMCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコードの後半2プロジェクト、MutexとSemaphoreを説明します(前半は、前稿参照)。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=2

FreeRTOSプロジェクト:タスク数=2(後半)
Project Tasks heap_ Additional FreeRTOS APIs Additional Comments
freertos_mutex 2 4

xSemaphoreCreateMutex
xSemaphoreGive

並列動作の共有リソース同期/競合制御。taskYIELDは要注意!

Mutexのセマフォ作成は、   xSemaphoreCreateMutex。

Semaphoreのセマフォ作成は、xSemaphoreCreateBinary。

freertos_sem 1+3 4

xSemaphoreGive

※Freertos_semはタスク数4個。実質はproducer_taskとconsumer_taskの2個。

FreeRTOS Project:freertos_mutex

RTOSソフトウェアのメリットは、複数タスクが「完全に並列動作」することです。ただし、副作用として、共有リソースのアクセス競合が生じます。サンプルコードの場合はIDE Console出力で、その他にUARTやIOポートなど多くの共有リソースがMCUにはあります。

この共有リソースへのセクセス競合を防ぐ手段がミューテックスです。共有リソース使用前に他タスクの使用/未使用を検出し、未使用時のみ利用、利用後は、使用権を戻す操作(xSemaphoreGive)をします。

仮にミューテックス機能が無ければ、英字と数字が混ざった出力になり、使い物になりません。
並列動作のRTOSに、Mutexは必須機能です。

注意点は、Consoleへ部分出力後のtaskYIELDです。

F3クリックで調べましたがtaskYIELDの理由は、筆者には不明です。だだし、コメントを読むとFreeRTOSインプリメント依存部分なので、そのまま弄らない方が良さそうです。共有リソース利用中には、taskYIELDが必要と覚えておけば(とりあえず)良いとします。
※本調査の目的は、ベアメタルCortex-M4テンプレート開発へのRTOS機能応用であって、FreeRTOS自身ではないので、この程度で留めていきます👍。

共有リソース使用検出APIは、xSemaphoreTakeです。前稿freertos_ticklessプロジェクトの割込みISRと処理タスク同期に用いたAPIと同一です。差分は、セマフォ自体の作り方が異なります。ミューテックスの場合は、xSemaphoreCreateMutex、セマフォの場合は、xSemaphoreCreateBinaryです。

違いは、初期値です。ミューテックスは、初期値が使用可能(pdTRUE)になりますが、セマフォは、初期値が使用不可です。どちらも、並列動作タスク間の同期/競合制御として、同じAPI:xSemaphoreTakeを使っているということです。

FreeRTOS Project:freertos_sem

前稿freertos_ticklessで示したISRと処理タスクのセマフォ同期とは別の使用例が、freertos_ semプロジェクトです。同期というより、むしろ排他制御にセマフォを使った例です。

このプロジェクトは、これまでのサンプルコードで最も多い4タスク:1(producer_task)+3(consumer_task)を生成し、2個のセマフォ(xSemaphore_producerとxSemaphore_consumer)を使い、1個のアイテムを4タスク間で利用する例です(Doc>freertos_sem_example.txtによるとランデブーモデル同期と言うようです)。

2セマフォで1共有アイテム利用のランデブーモデル同期
2セマフォで1共有アイテム利用のランデブーモデル同期

1個の(共有)アイテムは、元々produser_taskが持っており、cunsumer_taskへその使用権を与えます(L119:xSemaphoreGive→xSemaphore_consumer)。

並列動作中の3個cumsumer_taskのどれかがこの使用権を取得します(L143:xSemaphoreTaka←xSemaphore_consumer)。使用後は、produser_taskへ使用権を返却します(L141:xSemaphoreGige→xSemaphore_producer)。

produser_taskは、cunsumer_taskの使用権返却を待っており(L121: xSemaphoreTaka←xSemaphore_producer)、返却後、再び最初に戻ってcunsumer_taskへ使用権を与えます。

cunsumer専用セマフォがxSemaphore_consumer、producer専用セマフォがxSemaphore_producerで、それぞれを図示したようにやり取りしながら4タスクが動作します。

ベアメタル風に、ランデブーモデル同期:synchronized in bilateral rendezvous modelを解説すると上記のようになります。

ソースコード上では、どのcumsumer_taskが共有アイテムを獲得するかは不明ですが、評価ボード実行結果は、常にConsumer 0→1→2→0・・・の順番でした。3個のcumsumer_taskプライオリティが同一の時は、生成順に1個のアイテム共有ができるようです。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=2(後半)の調査結果

  • FreeRTOSタスク並列動作副作用の共有リソースアクセス競合回避手段に、ミューテックスがある
  • MCUXpresso54114 のFreeRTOS共有リソース利用途中には、taskYIELDが必要
  • 初期値(pdTRUE)の有無が、ミューテックス作成とセマフォ作成で異なる
  • バイナリセマフォの排他制御利用例に、ランデブーモデル同期がある
  • メモリ使用法は、heap_4を利用

FreeRTOSデバイス依存開発ノウハウ

筆者のOS:Operating System利用アプリケーションソフト開発経験は、Windows PCのみです。Windows OSは、リアルタイム性はありません。そのおかげで、PCアプリケーションソフト開発時に、他タスクへの影響、プライオリティなどは考慮せずに比較的簡単に開発ができました。

ミューテックスやセマフォを利用した覚えもありません。もちろんファイルなどの共有リソースには、それなりのアクセス手順があり、それに従って開発すれば特に問題はありません。

一方MCUでOS利用の場合は、リアルタイム性は無視できません。限られたMCU能力を上手く利用するためのデバイス依存開発ノウハウが、メモリ使用法:heap_4やtaskYIELDだと思います。

これらノウハウは、ソースコード上では解りにくい代物です。また、文章記述できる量も限られます。

これには、評価ボード上でソースコードのパラメタを変えた時の挙動変化を開発者自身がつかんで習得する方法が効率的です。LPCXpresso54114(Cortex-M4/M0+ 100MHz、256KB Flash、192KB RAM)評価ボードは、入手性もよく低価格(約3400円)です。無償LPCXpresso IDEとともにご利用いただければ、本稿やFreeRTOSがより解り易くなります。

PS:FreeRTOSの最新版V10.3.0が2020年2月7日に公開されました。詳細は、リリースノートをご覧ください。

FreeRTOSサンプルコード(3)

タスク数=1の前稿FreeRTOSサンプルコード(2)に続き、本稿は、タスク数=2のMCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコードの前半3プロジェクトを説明します。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=2

FreeRTOSプロジェクト:タスク数=2(前半)
Project Tasks heap_ Additional FreeRTOS APIs Additional Comments
freertos_tickless 2 4

vTaskDelay
xTaskGetTickCount
xSemaphoreCreateBinary
xSemaphoreGiveFromISR
xSemaphoreTake

FreeRTOS低電力動作とSW_taskの2タスク並列動作説明。

Tickless_taskは、vTaskDelay、前稿hello_taskは、vTaskSuspend。

SW_taskは、Tickless_taskに何ら影響を与えない。

freertos_i2c 2 4

xSemaphoreCreateBinary
xSemaphoreGiveFromISR
xSemaphoreTake

master_taskとslave_taskの2タスク構成。正常動作結果は、Console窓出力。DoC>readme.txtでも結果が判る。

freertos_spi 2 4

xSemaphoreCreateBinary
xSemaphoreGiveFromISR
xSemaphoreTake

同上

タスク数=2のサンプルコードは、上記以外にもFreeRTOS特徴のミューテックスとセマフォ利用例がありますが、これらは次回説明します。

FreeRTOS Project:freertos_ tickles

前稿説明のhello_taskは、Console窓に文字を1回出力し、「待ち状態」になりました。
hello_task とよく似たTickless_taskは、文字の代わりにxTaskGetTickCountで得た数字を1回出力し、vTaskDelayで5秒間の「停止状態(=低電力動作:Sleep)」になります。

低電力動作からの復帰Eventで、Tickless_taskは停止状態から実行可能状態へ移行し、スケジューラによって再実行されます。停止時間5秒間のtick回数がConsole窓に出力されます。
※FreeRTOSタスクの状態遷移図は、マイコンRTOS習得2017の第2部を参照。

このプロジェクトは、Tickless_task が、SW_task動作に全く影響を受けないFreeRTOSの特徴を説明しています。

つまり、Tickless_taskと、SW_taskは、それぞれ別々にあたかも自分のタスクがMCUを占有するように記述されており、かつその通り並列動作します。これがFreeRTOS利用ソフトウェア開発の最大メリットです。タスク開発は、ベアメタルソフトウェア開発に比べ簡単に、かつ流用性も大きくなるでしょう。

※SW3プッシュは、ソフトウェア、ハードウェアで何もチャタリッグ防止策をしていない処理の検証にも使えます。試しにSW3を長く押してチャタリッグが発生することを確かめてください。チャタリッグ防止策の必要性が解ります。

FreeRTOS Project:freertos_ i2cとfreertos_ spi

freertos_ i2cとfreertos_spiプロジェクトは、どちらもMCU内蔵I2C、またはSPIを使った外部デバイスとの通信サンプルコードです。どちらもmaster_taskとslave_taskの2タスクから構成されています。

main.cでslave_taskのみをタスク登録し、slave_task内でmaster_taskを登録しています。このように、FreeRTOSスケジューラ起動後でも、任意の場所で新たなタスク登録が可能です。

動作は、最初master_taskでデータ送信し、それをslave_taskで受信、次にslave_taskがデータ送信し、それをmaster_taskで受信し、両タスクとも正常終了します。

この動作シナリオは、slave_taskに記述されており、master_taskのデータ送信開始は、slave_taskのmaster_task登録の結果、並列実行されます。slave_taskのデータ受信と送信完了は、i2c_slave_callbackからのセマフォを使って判断しています。

評価ボード実装Arduinoコネクタ上の配線で、送受信データをループバック接続しますので、評価ボード1台のみで両タクス動作結果が、IDEのConsole窓に出力されます。

MCUXpresso54114評価ボードをお持ちでない方は、両プロジェクトのDoc>readme.txtのRunning the demoにConsole窓出力と同じ結果があるので解ります。

I2C/SPI通信対象のデバイスは、従来からの外付けEEPROMに加え、最近ではIoTセキュティデバイスなどがあります。

IoTセキュティデバイスは例えば、NXPのEdgeLookやMicrochipのCryptoAuthenticationファミリなどがあり、IoT MCUのクラウド接続には、これらデバイス利用が必須になりそうです。

I2C通信のIoTセキュリティデバイス接続例(出典:NXP SE050データシート)
I2C通信のIoTセキュリティデバイス接続例(出典:NXP SE050データシート)

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=2(前半)の調査結果

  • FreeRTOS低電力動作(Sleep)は、vTaskDelay(msec)で低電力動作開始と復帰
  • タスク数が2と少ないので、タスク並列動作が解り易く、プライオリティ設定とその意味も理解容易
  • I2C/SPI割込みISRとのタスク同期に、バイナリセマフォ利用
  • 割込みcallback関数でセマフォをgive → 割込み処理タスクでセマフォをtake → セマフォ消滅
  • IoT MCUは、セキュティデバイスとのI2C接続可能性大
  • メモリ使用法は、heap_4を利用

セマフォ(Semaphore)同期は、マイコンRTOS習得2017の第3部:Semaphoreによるタスク同期の章に、図入り解説していますのでご参照ください。

FreeRTOSサンプルソースコードは、MCUXpresso IDEのみでも御覧頂けます。是非、PCへインストールし本稿をご参照ください。

FreeRTOSサンプルコード(2)

FreeRTOSデバッグは、ベアメタルソフトウェアデバッグと異なる準備が必要です。

幸いなことに、前稿で示したMCUXpresso54114評価ボードとSDK付属FreeRTOSサンプルコードを使ってMCUXpresso IDEでFreeRTOSデバッグを行う場合は、この準備がサンプルコードやIDEデバッガに予め設定済みです。何もせずに直にデバッグができます。

FreeRTOSデバッグ準備

但し、LPCOpenライブラリFreeRTOSサンプルコードを利用する場合や、FreeRTOSソフトウェアを自作する場合には、この事前準備を知らないとFreeRTOSデバッグができません。
※LPCOpenライブラリと下記MCUXpresso IDE FreeRTOS Debug Guideも前稿参照。

MCUXpresso IDE FreeRTOS Debug Guideの2章に、準備理由や追加設定個所が詳細に記載されています。

  • デバッグリンクサーバー(CMSIS-DAP)のAll-Stopモードへ切り替え ※デフォルトはNon-Stopモード
  • FreeRTOSカーネルソースコード修正 ※SDK付属サンプルコードは修正済み
  • メモリ使用法の設定

上2つは、IDEでFreeRTOS本体動作確認のための設定、メモリ設定は、限られたMCUメモリの活用方法でheap_1~5まで5種類あります。

これらは、ベアメタル開発とは異なるFreeRTOS利用オーバーヘッドで、メモリ使用法は、動作するMCU毎に異なりノウハウが必要になると思います。MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコードのメモリ使用法は、調査します。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=1

MCUXpresso54114 SDK v2.7.0の11個あるFreeRTOSサンプルコードを、タスク数で並び換えたのが下表です。本稿は、タスク数=1のFreeRTOSプロジェクトを調査します。

FreeRTOSソフトウェア開発は、タスク数が少ない方が理解し易くタスクプライオリティ設定も不要です。この中では、freertos_swtimerが一番簡単、下方につれて複雑なプロジェクトになります。

FreeRTOSプロジェクト:タスク数=1
Project Tasks heap_ Additional FreeRTOS APIs (Bold) Additional Comments
freertos_swtimer 1 4

xTaskCreate
vTaskStartScheduler
xTimerStart

IDE Console出力
ユーザ作成Software Timerデモ

freertos_hello 1 4

xTaskCreate
vTaskStartScheduler
vTaskSuspend

IDE Console出力

freertos_usart 1 4

xTaskCreate
vTaskStartScheduler
vTaskSuspend

Usart 115200bps 8-Non-1送受信
4B受信後エコーバック

※heap_4:断片化を避けるため、隣接する空きブロックを結合。絶対アドレス配置オプション含む。
※FreeRTOS API接頭語x/v:API戻り値型を示し「v」がvoidを、「x」が結果コードまたはハンドルを返す。

サンプルコード利用FreeRTOS APIと、Doc>readme.txtのProject説明へ付け加える内容をAdditional Commentsに記載しました。太字以外のFreeRTOS APIは、マイコンRTOS習得2017で説明済みのため、本稿では省略します。

xTimerStartは、ユーザ作成ソフトウェアタイマの動作開始FreeRTOS APIです。

IDE Consoleは、ソースコード内へマクロ:PRINTFを挿入すると、IDE下段Console窓へ数値や文字列などの入出力が簡単にできる機能です。

FreeRTOS Project:main()

ベアメタルmain()と同様、初期設定+無限ループの構造です。
差分は、タスク登録とスケジューラー起動から成るFreeRTOS初期設定が、評価ボード初期設定後に加わることです。

FreeRTOS Project main()構造(freertos_helloにコメント加筆)
FreeRTOS Project main()構造(freertos_helloにコメント加筆)

FreeRTOS Project:freertos_swtimer

ユーザ作成の1秒ソフトウェアタイマ割込み(SwTimerCallback)を使って、Console窓にTick文字を出力します。タスク登録直後、xTimerStartでユーザタイマをスタートしています。

例えば、ユーザ入力待ちの開始時にxTimerStartし、ユーザ反応が何もない時のタイムアップ処理などに使うと便利です。

FreeRTOS Project:freertos_hello

タイトル出力など1回限りのConsole窓出力に便利です。hello_taskは、出力後、vTaskSuspendで待ち状態になります。タスク正常終了後は、vTaskSuspend処理が一般的なようです。

FreeRTOS Project:freertos_usart

UART0の115200bps 8-Non-1を使ったVirtual COMポート送受信タスクです。受信リングバッファ利用で4B受信後に受信文字をエコーバックします。4Bまとめてのエコーバックは、1B毎よりも効率的です。

例えば、処理途中で割込みなどの他処理が入っても、受信リングバッファ利用で取りこぼしデータがなく、かつ、RTOSが処理中断/再開を行うので、このような記述がFreeRTOSマルチタスク動作に好都合かもしれません。
ベアメタル開発にはないRTOSソフトウェア開発ノウハウの可能性があります。

※筆者自身RTOSは初心者です。本調査結果は、FreeRTOS APIレファレンス等も参照して記述しておりますが、多分に上記のような推測の域があることはご容赦ください。

FreeRTOSサンプルコード:タスク数=1の調査結果

  • FreeRTOS初期設定(タスク登録とスケジューラー起動)が、評価ボード初期設定後に追加
  • PRINTFを活用したFreeRTOSタスク単体デバッグの手本
  • タスク正常終了後は、vTaskSuspend処理
  • UART0利用VCOM送受信タスク(uart_task)は、移植性が高く、流用・応用が容易
  • メモリ使用法は、heap_4を利用

ここで示したFreeRTOSサンプルコードは、MCUXpresso54114評価ボードがあると動作確認が可能ですが、無くてもMCUXpresso IDEをPCへインストールすれば、どなたでもコストがかからず参照頂けます(インストール方法は、関連投稿:NXPマイコン開発環境更新を参照)。

普段NXPマイコンをお使いでない方も、MCUXpresso IDEをインストールしFreeRTOSサンプルコードをご覧ください。不要になった後は、IDEアンインストールも簡単です。

以降のFreeRTOSサンプルコード関連投稿は、お手元に上記開発環境があるものとして説明いたしますので、よろしくお願いいたします。



FreeRTOSサンプルコード(1)

NXPのCortex-M4/M0+ディアルコアLPCXpresso54114のFreeRTOSサンプルコードを数回に分けて調査します。Cortex-M4クラスのMCUは、処理は高速で大容量Flash、RAMを持つので、ベアメタル利用だけでなくRTOS利用ソフトウェア開発にも適します。

ベアメタルCortex-M0/M0+/M3に適用済み弊社テンプレートを、そのままCortex-M4 MCUに使うのは、テンプレートがMCU非依存なので簡単です。ですが、先ずFreeRTOSソフトウェアをよく知り、新開発ベアメタルCortex-M4テンプレートへ応用できる機能があるか判断するのが調査の目的です。

RTOS習得2017

2017年3月にLPCXpresso824-MAX(Cortex-M0+ 30MHz、32KB Flash、8KB RAM)を使ってFreeRTOSのポイントを調査し、結果をマイコンRTOS習得ページにまとめました。

第1部から第3部で、最低限のFreeRTOSと使用APIを解説し、第4部で、最も優れた解説書と筆者が考えるソースコードと評価ボードを使ってFreeRTOS動作解析と習得を行うという内容です。

ただ、自作FreeRTOSサンプルコードの出来が悪く、第4部の動作解析は不十分でした。

そこで、RTOS利用がより現実的なLPCXpresso54114(Cortex-M4/M0+ 100MHz、256KB Flash、192KB RAM)評価ボードとSDK付属FreeRTOSサンプルコードを用いて、不十分だった第4部FreeRTOS動作解析に再挑戦します。平たく言えば、NXP公式FreeRTOSサンプルコードを、不出来な自作コードの代わりに利用します😅。

第1回目は、FreeRTOSサンプルコードの出所、FreeRTOS動作を調べる4ツールを説明します。

LPCXpresso54114 SDK付属FreeRTOSサンプルコード

NXPマイコンの公式サンプルコード取得方法は、3つあります。最も新しいのがSDK:Software Development Kitから、2つ目がLPCOpenライブラリから、3つ目がPE:Processor Expertからの取得です。

NXP社が古くから用いてきたサンプルコード提供方法が、LPCOpenライブラリです。
NXPに買収された旧Freescale社のKinetis MCUなどは、PEと呼ばれるGUIベースAPI生成ツールでサンプルコードを提供していました。同じMCUでも提供方法によりAPIは異なり、サンプルコード互換性はありません。
※ベンダ毎に異なるAPI提供方法やその違い、サンプルコードとの関係は、別投稿で説明する予定です。

Freescale買収後のNXPは、SDKで全MCU(=新旧NXP+買収FreescaleのMCU)のAPIとサンプルコードを提供する方法に統一したようです。その根拠は、最新MCUXpresso IDEユーザインタフェースが、SDKの利用前提でできているからです。

現在も提供中のLPCOpenライブラリ内にあるLPCXpresso54114 FreeRTOSサンプルコードは2個、一方、SDK内のFreeRTOSサンプルコードは11個あります。PE提供はありません。

調査対象としては、FreeRTOSサンプルコード数が最多のSDKが適しています。

LPCXpresso54114 FreeRTOS examples in SDK
LPCXpresso54114 FreeRTOS examples in SDK

FreeRTOS実動作解析ツール

MCUXpresso IDE v11.1.0のHelp>Help Contentsに、MCUXpresso IDE FreeRTOS Debug Guideがあります(PDF文書がMCUXpresso IDEインストールフォルダ内にも有り) 。この中に、FreeRTOSサンプルコードデバッグのみに使えるタスク対応デバッガ4ツール(Task List/Queue List/Timer List/Heap Usage)があります。

MCUXpresso IDE Help ContentsのFreeRTOS Debug GuideのShowing FreeRTOS TAD Views
MCUXpresso IDE Help ContentsのFreeRTOS Debug GuideのShowing FreeRTOS TAD Views
  • Task List:タスク毎のプライオリティ、スタック使用量、動作時間表示
  • Queue List:アクティブキュー、セマフォ、ミューテックス利用時のリソース表示
  • Timer List:RTOSタイマー表示
  • Heap Usage:ヒープ使用量、メモリブロック割当て表示

これらFreeRTOS専用ツールは、FreeRTOSサンプルコードの評価ボード動作後、デバッガ停止中に表示されます。シミュレーションではなく、評価ボードでの「実動作結果」が判ります。開発ソフトウェアだけでなくRTOS使用量が判るので、デバイスにどれ程リソース余裕があるかが判断できます。

RTOSソフトウェアは、ユーザが開発するタスクの単体、結合デバッグに加え、RTOS動作の確認事項が増えます。FreeRTOS実動作解析4ツールは、これらの確認ができます。評価ボードを使ったプロトタイプ開発の重要度は、ベアメタル開発比より大きくなると言えるでしょう。

次回以降、LPCXpresso54114のSDK付属FreeRTOSサンプルコードを、MCUXpresso IDEのFreeRTOS Debug Guideに沿って調査します。

Windows 10更新中断、μT-Kernal、IoTマイコン

Windows 10 1809更新によりユーザファイルが消失するトラブルが発生しています。このためMicrosoftは、Windows 10 1809への更新を一時中断しました。

Windows 10更新でマイドキュメントフォルダ消失!

消失フォルダは、よりによってC:\User\[user name]\Documentsだそうです。マイコンIDEのプロジェクトファイルをマイドキュメントフォルダへ設定している方(私がそうです)は、1809更新を待った方が良いかもしれません。

幸い私の3台のPCは、全て問題なく1809更新に成功し、Documentsフォルダも無事でした。

よく言われる最悪を避けるには、個人データのバックアップです。しかし、Windows機能更新時に、最も守るべきユーザデータを壊す/消すという不具合は、OSとしては許されません。Fast/Slow リングで検証できなかったのでしょうか?

μT-Kernal

OSと言えば、マイコン向けのリアルタイムOS:μT-Kernalの解説がトランジスタ技術2018年10月号の組込みOS入門という別冊にあり、第2章~第6章にリアルタイムOS(RTOS)の説明があります。

また、トロンフォーラムへの登録が必要ですがルネサスRL78/G14向けにポーティングしたμT-Kernalを無料でダウンロードできます。

※μT-Kernalは、ITRONベースに2003年公開の32ビットマイコン向けオープン・ソースRTOS。

本ブログではこれまでRTOSとしてFreeRTOSを紹介してきました。μT-Kernalと比較するとより理解が進むと思います。

関連投稿:マイコンRTOS習得

IoTマイコンとRTOS

IoTマイコンにRTOSを使うと、今回のWindows 10のようなトラブルを招く可能性が生じます。ただIoT通信手段が何になるにせよ、高度なセキュリティや公共リソース利用のための通信処理をマイコンで行うには、RTOSが必要になると思います。

この状況ならいっそのことIoTマイコンには、Cortex-M4(または同等クラス)とCortex-M0/M0+マルチコアを導入し、Cortex-M4でIoT関連処理、Cortex-M0/M0+で従来のMCU処理に2分割、さらにIoT関連処理はMCUベンダーが全て無償提供してくれればIoT MCUの爆発的普及が進むと思います。

つまり、Cortex-M4のIoT関連処理がWindows 10に相当する訳です。これならIoT通信手段やセキュリティが変わってもCortex-M4部分のソフトウェアをOTA(Over The Air)で変えれば対応できます。我々開発者は、本来のマイコン処理に集中できます。
理想的な空想ですがね…。

関連投稿:OTAについてIoT端末の脆弱性対応はOTA:Over The Air更新が必須の章参照

Cortex-Mシリーズはセーフ、他はアウト

新年早々、Intel、AMD、ARMなどの制御デバイス製造各社に激震が発生しました。「CPU投機的実行機能に脆弱性発見」のニュース(Intel、AMD、ARMの対応Windowsの対応Googleの対応)です。

MeltdownとSpectre
MeltdownとSpectre(Source:記事より)

※投機的実行機能:制御を最適化するためのパイプライン化、アウトオブオーダー実行などの「現代的CPU」ハードウエアに実装済みの機能。

※脆弱性:ウイルスが入る可能性がある箇所のこと、セキュリティホールとも呼ばれる。言わばアキレス腱のような箇所。もっと知りたい方は、総務省サイトの基礎知識が良く解ります。

Cortex-Aシリーズも対象、Cortex-Mシリーズは対象外(セーフ)

パイプラインやアウトオブオーダーなどの最適化機能は、殆どの制御コアに搭載されています。従って、このニュースは深刻です。ハードウエアの深い部分の脆弱性だけに、ソフトウエアのOSやパッチなどで対応できるのか、個人的には疑問ですが、セキィリティ専門家に任せるしかないでしょう。

ARMのリアルタイム系Cortex-RやCortex-Aシリーズも対象:アウト!です。
一方、本ブログ掲載のCortex-Mシリーズマイコンは、これら投機的機能が実装されていないので今回は対象外、セーフでした。

IoT端末の脆弱性対応はOTA:Over The Air更新が必須

昨年12月3日投稿のCortex-Mを用いるIoTマイコンへも、Amazon FreeRTOSなどのRTOSが期待されています。今回のような脆弱性への対応には、無線通信によるソフトウエア更新:OTA機能が必須になるでしょう(ソフトウエアには、OSとアプリの両方を含んでほしいという願望も込みです)。

時々発生する自動車リコールも、ハード起因とソフト起因の両方があります。車の場合は、ディーラーへユーザが車を持ち込めば対応できますが、組込み制御の場合は、開発者自身が動作中の現場で対応するのが現状です。今回は、Cortex-Mシリーズはたまたまセーフでしたが、同様のセキュリティ事案への対策を練る必要があると思います。

と言っても、当面できるのは、現場でIDEやUART経由の直接ソフト更新か、または、コチラの記事のような(多分高価な)パッチ配布手段しか無いかもしれません。

RTPatch適用範囲
RTPatch適用範囲(Source:記事、イーソルトリニティ)

100MBフラッシュマイコンとFreeRTOS

ルネサス、100MB超の大容量フラッシュ内蔵、160℃で10年以上のデータ保持もできる車載可能な次世代マイコン実現にメドの記事が、EE Times Japanで12月6日発表されました。

ルネサス100MBフラッシュマイコン実現にメド
ルネサス100MBフラッシュマイコン実現にメド(記事より)

これは、ルネサスが車載半導体シェア30%を狙う動きとリンクしています。マイコンは、ROM128KB、RAM128KB(Cypress PSoC 4 BLEの例)の「キロバイト」容量から、5~6年後には「メガバイト」へと変わろうとしています。

FreeRTOS

Richard Barry氏により2003年に開発されたFreeRTOSもVersion 10が発表されました。12月3日投稿で示したようにアマゾンがAWS:Amazon Web Service接続のIoT MCUにFreeRTOSカーネルを提供したことで、マイコンへのFreeRTOS普及が一気に進む可能性があります。

Amazon FreeRTOS
Amazon FreeRTOS(サイトより)

従来のFreeRTOSは、5KB以下のROMにも収まりリアルタイム性とマルチタスク処理が特徴で、小容量マイコンでも十分に使えるRTOSでした。しかし、Amazon FreeRTOSの魅力的ライブラリをフル活用すると大容量ROM/RAMが必要になるハズです。フラッシュ大容量化、製造技術の細分化の流れは、マイコン高性能と低消費電力ももたらし、Amazon FreeRTOSを使用しても問題はなさそうです。

世界的な電気自動車化:EVシフトの動きは、マイコンに数年で激しい変化を与えます。弊社もCortex-M0\M0+コアに拘らず、STM32F1で使ったCortex-M3コアなどの更に高性能マイコンにも手を伸ばしたいと考えています。

ポイントは、FreeRTOSだと思います。その理由が以下です。

Amazon FreeRTOS対応のSTM32L475 Discovery kit for IoT Nodeのサイトで、AWS経由でどのようにクラウドに接続し、評価ボード実装済みの各種センサデータをグラウド送信する様子や、逆にグラウド側からボードLEDを制御する様子が英語Video(約11分)に紹介されています。
英語ですが、聞き取り易く、解り易いので是非ご覧ください。

Videoで使用したサンプルソフトも同サイトからダウンロードできます。殆ど出来上がったこのサンプルソフトへ、必要となるユーザ処理を追加しさえすれば、AWS IoT端末が出来上がります。

追加ユーザ処理は、FreeRTOSのタスクで開発します。タスクの中身は、初期設定と無限ループです。無限ループは、使用マイコン(Videoの場合はSTM32L4+)APIとFreeRTOS APIの組合せです。

つまり、従来マイコン開発に、新たにFreeRTOS API利用技術が加わった構成です。従来マイコン開発は、マイコンテンプレートで習得できます。但しFreeRTOS利用技術は、別途習得する必要がありそうです。

その他の細々したクラウド接続手続きは、通信プロトコル上の決まり文句で、独自性を出す部分ではありません。

マイコンテンプレートサイト、レスポンシブ化完了

その弊社マイコンテンプレートサイトのレスポンシブ化が完了しました。閲覧の方々が、PCやスマホで画面表示サイズを変えても、自動的に最適表示に調整します。

また、サイト運営側も従来サイトに比べ、ページ追加/削除が容易な構成に変わりました。より解りやすく充実したサイト内容にしていきます。動作テストを十分にしたつもりですが、ご感想、バグ情報などをメールで頂ければ幸いです。

Amazon、IoTマイコンへFreeRTOS提供

Amazon:アマゾンがFreeRTOSをカーネルにして、IoT端末とのクラウド接続、セキュリティ確保、将来的にOTA:Over The Airによるアップデート機能をライブラリで提供というニュースが入りました。

嬉しいのは、「FreeRTOS」と「OTA機能がRTOSで提供」されることです。

Amazon FreeRTOS

IoT端末とクラウドを接続するには、IoT通信プロトコルが必要です。BLE:Bluetooth Low EnergyやThreadが有力ですが、国内外の網側事情が異なるため、実質的なIoTプロトコル実装は間違いなく大変です。

もしこのIoT通信機能が、最大手アマゾンの無償ライブラリで提供され、マイコンUARTと同様にIoT Communication APIを使え、しかもセキュリティ対策済みであるならば、IoT端末は爆発的に普及するでしょう。普及の足かせとなっているIoT通信とセキュリティ問題が解決されるからです。

Amazon FreeRTOS
Amazon FreeRTOS利用イメージ (出典:記事、AWS)

現在Amazon FreeRTOSのハードウエアパートナーは、テキサス・インスツルメンツ:TI、マイクロチップ、NXP、STマイクロエレクトロニクスの4社で、NXPは、LPC54018 IoT Module、STMは、STM32L4 Discovery Kit IoT Node評価ボードでサポートするそうです。

NXP、STMいずれもかなり高性能MCU評価ボードを使っていますが、これは高機能IoTエンド端末(≒簡易スマホ)を想定しているからだと思います。FreeRTOSカーネルなので、ROM/RAMが少ない低価格IoTエンド端末にも実装できるハズです。

弊社ブログでも紹介してきたFreeRTOS自身は、様々なベンダの低価格MCUにも実装実績があります。

残念ながら弊社のFreeRTOSサンプルソフトは、NXPのLPCXpresso824-MAX上で完全動作しているとは言えませんが、近いうちにSTMのSTM32F103RB(Cortex-M3:64MHz、ROM/RAM:128KB/20KB)で再チャレンジし、新たにFreeRTOS版のテンプレートを開発できないか検討中です。
※FreeRTOSサンプルソフトは、2020年版に更新しました。LPCXpresso824-MAXサンプルソフトは削除しました。

OTA機能

出荷後の組込みソフトを更新したいことは良くあります。但し、Windows更新でも失敗があるように、技術的にハイリスクで、また更新費用を顧客が負担してくれないこと(ノーリターン)も多いので、悩ましい事柄です。

Amazon FreeRTOSのOTAがRTOS関連のみか、または、RTOSにとってのアプリ、つまり開発ソフトも含むかは不明ですが、たとえRTOSのみであってもOTAが提供されれば好都合です。セキュリティ起因の不具合解消に役立つからです。

従来のベアメタル開発でもOTA関連の資料は、英語版で難解な記事はあります。しかし、私の場合は、結局現地でIDE書き換えの経験が多いです。リクスを少しでも下げたいのもあります。RTOSが機能提供してくれれば、責任転嫁(?)ですが助かります。

弊社FreeRTOSへの取組み

IoTクラウドサービスは、アマゾンのAmazon Web Services IoT:「AWS IoT」が先行し、マイクロソフトの「Azure IoT」、これらを追いかけるグーグルの「Weave」とアップルの「HomeKit」、その後ろにARMの「mbed Cloud」という状況だそうです。アマゾンは最先端を走っているのです。

先行アマゾンが2017年末に発表したAmazon FreeRTOSの詳細は不明ですが、IoT MCUのRTOSにFreeRTOSが有力であるのは、確実になりそうです。

FreeRTOSソフト開発の場合、タスク自体は簡単で単純な初期設定+無限ループ構成です。タスク同期やタスク通信にRTOS APIが使えれば、それ程難しくはないと(今は)考えています。この考え方が、タスクが増えたりプライオリティを変えたりしても正しいか、間違っているかは、実践経験あるのみです。

個人で実践できるFreeRTOS動作環境の構築が、弊社FreeRTOS版テンプレートの目標となりそうです。