FreeRTOSサンプルコード(3)

2020年2月7日2020年2月14日 WithHappy

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）

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)

2020年1月31日2020年2月1日 WithHappy

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：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)

2020年1月24日2020年1月31日 WithHappy

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

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

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

2018年10月9日2018年10月15日 WithHappy

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。

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

2018年1月7日2018年1月9日 WithHappy

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。

※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。

100MBフラッシュマイコンとFreeRTOS

2017年12月11日2017年12月11日 WithHappy

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。

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。

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

2017年12月3日2020年11月11日 WithHappy

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。

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。

評価ボードから読む最新マイコン技術動向

2017年11月13日 WithHappy

最新マイコンの評価ボードから、IoT向けMCU技術動向を考察します。参考にしたのは2017年後半開発の下記2種評価ボードです。

Cypress製PSoC6評価ボード：CY8CKIT-062-BLE
NXP製LPC845評価ボード：LPCXpresso845-MAX Board応用例Swiss Army Knife Multi tool

つい最近、2ボードはWebinarで解説されており充実内容でした。興味がある方は、上記リンクから探せばOn Demandでも見られると思います。英語ですが非常に参考になります。

私は、「ベンダ製評価ボードは、ハード/ソフト両方の早期開発レファレンスとすべきだ」と何度か説明してきました。この認識に基づき最新評価ボードから今後のIoT MCU技術動向を抽出したのが下記です。

リッチ表示、タッチパッド、大容量ストレージ、IoT無線通信、FreeRTOS

IoTマイコンには、以下5項目が現状MCU技術に加わると思います。

IoT MCU技術動向（2017年11月）
追加技術	概要
リッチ表示出力	2×16文字程度のLCD表示から、128×160ドットカラーTFTディスプレイなどよりリッチ表示が可能な出力。
タッチパッド入力	従来タクトスイッチから、タッチパッドなどのより柔軟なユーザインタフェース入力。
大容量ストレージ	小容量EEPROM or RAMから、ロギングデータ等の保存も可能なSDカードなどの大容量ストレージ。
IoT無線通信	UART/SCIから、IoTプロトコルに応じた間欠動作で低電力志向の無線通信。
FreeRTOS	ベアメタル開発から、複雑なリアルタイム処理実現のためのRTOS開発。

※IoT通信は様々なプロトコルが乱立状態ですが、BLE/Thread両方サポートに集約されそうな気配です。
※RTOSもCMSIS_RTOS/mbed OS 5/FreeRTOSと様々ですが、FreeRTOS利用例が多いです。

5項目全てが追加される訳ではなく、現状MCUにIoT通信処理のみを追加したコスト重視IoT MCUと、全て追加した高機能IoT MCUの2タイプに分かれそうです。

2タイプのIoTエンド端末

IoT MCUで開発するデバイスを、ここではIoTエンド端末と呼びます。端末の方がイメージし易いからです。コスト重視IoT MCUは、低価格IoTエンド端末へ、高機能IoT MCUは、IoTの申し子となる高機能IoTエンド端末へ搭載されます。

IoT端末の多くはこの低価格タイプになると思います。

ADCなど従来MCUのアナログ入力にセンサを接続し、IoT通信でクラウドへセンサデータを定期的に送信します。低電力処理重視のためリッチ表示などは不要で、数年～10年程度はバッテリー動作可能です。

IoT通信機能は現状未実装ですが、ルネサスエレクトロニクスのOktoberfestコースターなどが実例です。通信機能搭載で、店員のスマホから飲み物の有無や温度が解るなどの使い方が想定できます。

つまり、IoTクラウドの5感センシング（視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚）が主機能で、クラウド処理結果やユーザへのアクション指示は、スマホなどの別端末が行うのがこのタイプです。

＊　　＊　　＊

高機能IoTエンド端末は、低価格端末機能に加え、リッチ表示ディスプレイでユーザに端末やクラウド解析結果なども表示可能で、ユーザが状況に応じて判断するためのタッチパッド入力なども備わっています。

端末データをローカルなSDカードなどのストレージへ蓄積し、一括してクラウド送信することや、ディスプレイ表示を状況に応じて変更するための画像データをローカル保存することもなどもできます。

IoT普及時の高機能端末がこれで、言わば簡易スマホ機能も備えた端末と言えます。最新評価ボードは、このタイプの開発レファレンスに使えるように設計されています。

実時間で複雑な並列動作が要求されるので、RTOS（FreeRTOS）が用いられます。

NXPのSwiss Army Knife Multi toolなどが実例です。

Swiss Army Knife Multi tool Block Diagram

まとめ

最新MCU評価ボードから、現状MCUへの技術追加（強化）5項目を抽出しました。追加項目により低価格IoT MCUと高機能IoT MCUの2つに分け、IoTエンド端末イメージを示しました。

現状MCUにIoT無線通信を追加した低価格IoTエンド端末は、IoTセンサとして機能し通信プロトコルが確定すれば、現状技術でも実現性は高そうです。

簡易スマホ機能も備えた高機能IoTエンド端末は、新技術（IoT無線通信、FreeRTOS）や、従来MCUであまり使われなかったリッチ表示出力、パッチパッド入力、大容量ストレージ技術が強化されそうです。

リッチ表示出力や大容量ストレージには、高速大容量向きのSerial Peripheral Interface：SPIバス接続が有力です。センサ接続には、従来同様低速なInter Integrated Circuit：I2Cバスを使い続けるでしょう。

タッチパッド入力は、ベンダ提供の独自ライブラリを利用する形態になります。ベンダ毎にセンス能力やウエット耐性などに性能差が生じる可能性があります。

IoT通信処理とRTOSは、様々な仕様が混在中ですが、BLEとThread両用、FreeRTOSに収束しそうな気配があります。

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

2017年3月25日2020年11月28日 WithHappy

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

ARM mbed開発環境

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

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

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

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

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

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

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

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

CMSIS

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

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

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

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

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