MCU:マイコン,LPCマイコン,STM32マイコン,PSoC/PRoCマイコン,Cortex-M4コアARMマイコン,Cortex-M0+,PSoC Creator,RTOS,PSoC 6,FreeRTOS,Cortex-M4,FreeRTOSConfig.h,Azure RTOS

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。

MCU:マイコン,LPCマイコン,Cortex-M4コアテンプレート,FreeRTOS,LPCXpreosso54114,LPCXpresso SDK,freertos_generic,FreeRTOSConfig.h,周期処理

前稿の弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートのベースとなったMCUXpresso SDK付属FreeRTOSサンプルプロジェクトfreertos_genericの詳細、主にソフトウェアタイマ関連とその用途を説明します。

freertos_genericのHook関数とFreeRTOSConfig.h

Step5:FreeRTOS低電力動作
Step5:FreeRTOS低電力動作

前稿Step5でOSアイドルタスクの「Hook関数」にWFI()を追記し、FreeRTOSに低電力動作を追加しました。ベアメタル開発者には馴染みの少ないHook関数とは、MCU開発者がOSに独自処理を追加する仕組み(Wikipedia)です。ハッカーに悪用される危険性もありますが、元のOSソースはそのままで動作を変更できる便利な機能です。

freertos_genericは、このアイドルタスクの他に、スタックオーバーフロー、マロックエラーと、ソフトウェアタイマの周期割込みに後述のHook関数を用いています。スタックオーバーフローやマロックエラー発生時は、Hook関数内でMCUが動作停止しますので、対策検討の手始めになります。

これらソースコード内に記述したHook関数を有効にするには、FreeRTOSConfig.h内のマクロ設定が必須です。試しに、Step5で追記したWFIへブレークポイントを設定し、FreeRTOSConfig.hのconfigUSE_IDLE_HOOKマクロを1以外に設定するとWFIでブレークしません。configUSE_IDLE_HOOKを1に戻すと、当然ですがブレークします。

このように、ソースファイル記述よりも「FreeRTOSConfig.hのマクロが優先」されます。これが、前稿でFreeRTOSConfig.hを最重要ファイルとした理由です。

万一FreeRTOSConfig.hに記述ミスがあると、開発者が所望処理をソースへ加えても、何も無かったかのようにFreeRTOSは処理します。

そこで前稿新規プロジェクトのStep4で示したfreertos_genericのFreeRTOSConfig.hを上書きコピー後、オリジナルと内容一致を確認するのが良いと思います。但し、MCUXpresso IDEのColors&Fontを、例えばメイリオ11Pへ変えると、インデントやタブ表示なども変わるため見易く修正を加えた場合、Consolas利用のオリジナルと完全一致では無くなります。

Notepad++のCompareプラグイン実行結果。スペースが異なっても内容同じなら黄色、異なれば赤表示。
Notepad++のCompareプラグイン実行結果。スペースが異なっても内容同じなら黄色、異なれば赤表示。

そんな時に役立つツールが、Notepad++のCompareプラグイン機能です。コード内容が一致していれば挿入スペース数などが異なっても黄色、内容自体が異なれば赤で表示されるので、一目でソースコード内容差が判ります。筆者は、この機能を使ってFreeRTOSConfig.h記述ミスを回避しています。

freertos_genericソフトウェアタイマISRのHook関数

ソフトウェアタイマは、tick間隔2msの周期割込みを発生し、このISRがvExampleTimerCallback関数、このHook関数がvApplicationTickHookです。

vApplicationTickHookで2ms割込み発生を500回カウント後、イベントセマフォをprvEventSemaphoreTaskへ送出、イベントセマフォを取得したprvEventSemaphoreTaskが1秒毎に”Event task is running”をコンソールへ出力します。

freertos_genericソフトウェアタイマ処理の流れ
freertos_genericソフトウェアタイマ処理の流れ

vExampleTimerCallbackへのコード記述を少なくするのは常套手段で、ベアメタル開発でもFreeRTOSでも同じです。通常は割込みフラグクリアなどを行いますが、リロードタイマですのでvExampleTimerCallbackはカウンタインクリメントのみを行っています。

Hook関数vApplicationTickHookの500回カウント判断を変更すれば、2ms分解能で任意間隔のイベントセマフォ送出が可能です。これは、SWチャタリングやADCノイズ対策などの周期処理同期に最適です。

イベントドリブンが基本のFreeRTOSですが、割込み処理によりSWチャタリング対策を行うよりも、ソフトウェアタイマとそのHook関数を利用した周期ポーリング処理で行う方が簡単なのが判ります。

freertos_genericの原本

freertos_genericは、FreeRTOS DemoのHardware Independent FreeRTOS exampleがその原本です。原本には、より詳しい英文解説が付いています。また、前章のイベントセマフォによるタスク同期に比べ、45%高速でRAM使用量も少ないタスク通知方法など、FreeRTOS機能強化やTipsなど開発者向け情報も満載です。

6E販売開始予定の弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートを入手後、この開発者向け情報を活用し、FreeRTOSの更なる基礎固めと習得をお勧めします。

なお原本とfreertos_genericには、異なる動作箇所もあります。例えば、FRO:Free Run Oscillator=12MHz、System Clock=96MHzなどです。これはHardware Independentな原本を、LPCXpresso54114動作用にポーティングした結果、生じた箇所です。この部分が、freertos_genericに明記されていない場合もありますので、参照時には注意してください。

弊社は、NXP以外のMCUベンダCortex-M4クラス向けFreeRTOSアプリケーションテンプレートにも、このベンダ非依存のHardware Independent FreeRTOS exampleをベースとして使う予定です。

同一アプリケーションによるベアメタルとFreeRTOS比較が出来る特徴に加え、同一ベース利用によりベンダ間(例えば、STマイクロエレクトロニクスやCypressとNXP)のFreeRTOSアプリケーション開発比較も可能となると考えています。

freertos_genericソフトウェアタイマまとめ

開発中のNXP)LPCXpresso54114向けFreeRTOSアプリケーションテンプレートのベース、MCUXpresso SDK付属FreeRTOSサンプルプロジェクトfreertos_genericのソフトウェアタイマを説明しました。

ソフトウェアタイマのISRフック関数により任意周期イベントセマフォ送出が可能で、イベントドリブンが基本のFreeRTOSにおいて、SWチャタリングやADCノイズ対策などの周期ポーリング処理を行うのに適しています。

ソースコードに記述したフック関数は、FreeRTOSConfig.hのマクロ設定で有効になります。設定ミスを避けるため、オリジナルとの設定内容比較にNotepad++のCompareプラグイン機能を使いました。

なお、freertos_genericのQによるデータ送受信機能は、後半部分として別稿で説明する予定です。

あとがき

MCU開発初心者~中級の方が対象の販売中Cortex-M0/M0+/M3コアMCUテンプレートとは異なり、本稿Cortex-M4コア利用FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタルMCU開発経験を既にお持ちの方を対象としています。
※投稿内容と対象MCUは、コチラの一覧表を参照してください。

そこで本稿は、ベアメタルとFreeRTOS開発の差分などに関する説明は加えますが、ベアメタルは既知の内容として説明を省略しています(筆不精で、すいません😌)。

投稿内容が判りにくい場合やご質問などは、customerservice@happytech.jpへお寄せください。

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NXP)LPCXpresso54114(Cortex-M4/100MHz、Flash/256KB、RAM/192KB)で動作するFreeRTOSアプリケーションテンプレート開発に着手しました(関連投稿:FreeRTOSアプリケーションテンプレート構想)。

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

この開発で用いる新規FreeRTOSプロジェクト作成方法、新規作成プロジェクトとMCUXpresso SDK付属FreeRTOSサンプルプロジェクトとの違いを示し、FreeRTOSアプリケーションテンプレートのベースプロジェクトを解説します。

まとめ:新規FreeRTOSプロジェクト作成方法とFreeRTOSベースプロジェクト

新規NXP FreeRTOSプロジェクト作成方法をまとめました(詳細は、次章サンプルプロジェクト留意点の後に説明)。

Step1:MCUXpresso SDKで評価ボード選択
Step2:FreeRTOS選択(デフォルト:ベアメタル)
Step3:FreeRTOSドライバ選択(デフォルト+ユーザ追加ドライバ)し、新規プロジェクト作成
Step4:新規プロジェクトへ、サンプルプロジェクトのfreertos_generic.cとFreeRTOSConfig.hを上書き
Step5:アイドルタスクへ低電力動作WFI()を追記し、FreeRTOSベースプロジェクト完成

Step3までが、一般的なFreeRTOSプロジェクト作成方法、Step4と5が、弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレート向け工夫箇所です。

弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、Step5で作成したFreeRTOSベースプロジェクトへ、例えばADC.cやLCD.cなど制御対象毎のソースファイルを追加して開発します(最初の図)。LCDを使わないアプリケーションの場合は、LCD.cをベースプロジェクトから除外すればそのまま使えるなどポータビリティも考慮しています。

Step3で、ユーザ未追加ドライバ、例えばFreeRTOSメールボックスドライバを、SDKを使わずにベースプロジェクトへ手動で追加するのは、手間やケアレスミスが発生します。

最初から全てのドライバをベースプロジェクトへ追加しておくのも1つの方法ですが、弊社は、必須ドライバでアプリケーションを開発し、追加が必要な時には、再度SDK新規プロジェクト作成からドライバを追加する方法を推薦します。

必須ドライバは、SDKサンプルプロジェクト:freertos_genericで使用中のドライバとADC、VCOMです。これらドライバを追加したベースプロジェクトであれば、FreeRTOSアプリケーションテンプレート構想3章で示したアプリケーション動作に必要十分だと現時点では考えています。

※サンプルプロジェクト:freertos_genericの詳細は、後日、別途投稿を予定しています。freertos_generic名称から判るように、キューやセマフォなど汎用FreeRTOS処理実装のサンプルプロジェクトです。サンプルプロジェクトの概略は、関連投稿を参照してください。

SDK FreeRTOSサンプルプロジェクトと新規作成プロジェクトの違い

MCUXpresso SDK付属のFreeRTOSサンプルプロジェクトと、前章の新規作成FreeRTOSプロジェクトは、ファイル構成が異なります。

FreeRTOSサンプルプロジェクトと新規作成プロジェクトの構成差(FreeRTOSConfig.hの場所が異なる)
FreeRTOSサンプルプロジェクトと新規作成プロジェクトの構成差(FreeRTOSConfig.hの場所が異なる)

構成が異なる理由は、サンプルプロジェクトがFreeRTOS個別技術の説明に重点を置いており、これに都合が良いファイル構成になっているからです。

つまり、左側のsourceフォルダ内にあるfreertos_サンプル.c とFreeRTOSConfig.hの2ソースコードさえ読めば、提供処理が判るように全てのサンプルプロジェクトが作成されています。
※FreeRTOSConfig.h は、FreeRTOS全体動作を決める最重要ファイルです。後日freertos_generic投稿時に説明を加えます。

右側新規作成FreeRTOSプロジェクトと比べると、ポータビリティなどは犠牲になっています。SDKやFreeRTOS自身もバージョンアップしますので、開発済みアプリケーションのポータビリティは重要です。

新規作成ファイル構成で開発したアプリケーションであれば、バージョンアップした環境でも開発済みアプリケーションの移設は容易です。

FreeRTOSサンプルプロジェクトは、機能理解専用と考えれば良いでしょう。なお、FreeRTOS基本機能は、弊社特集サイトを参照ください。

Step1:評価ボード選択

以降は、1章:まとめで示した新規FreeRTOSプロジェクト作成方法とFreeRTOSベースプロジェクトの詳細を示します。

Step1:評価ボード選択
Step1:評価ボード選択

MCUXpresso IDEのNew projectをクリックし、SDK Wizardで評価ボード:lpcxpresso54114を選択、Nextをクリックします。

Step2:FreeRTOS選択

Step2:FreeRTOS選択
Step2:FreeRTOS選択

ComponentsウインドのOperating Systemタブで、デフォルトbaremetalをFreeRTOS kernelへ変更します。

Step3:FreeRTOSドライバ選択

Step3:FreeRTOSドライバ選択
Step3:FreeRTOSドライバ選択

Driversタブでデフォルトドライバに加えadcとusart_freertosを追加します。Components selection summaryウインドのDriversを開くと、実装ドライバが一覧表示されます。Finishクリックで新規FreeRTOSプロジェクトを作成します。

Step4:freertos_generic.cとFreeRTOSConfig.h上書きコピー

Step4:FreeRTOS_generic.cとFreeRTOSConfig.hの上書きコピー
Step4:FreeRTOS_generic.cとFreeRTOSConfig.hの上書きコピー

作成した新規FreeRTOSプロジェクト(Project0)のsource>Project0.cとfreertos>template>ARM_CM4F>FreeRTOSConfig.hを、サンプルプロジェクトlpcxpresso54114_freertos_genericのsource>freertos_generic.cとFreeRTOSConfig.hで上書きします。

Step5:FreeRTOS低電力動作追記

Step5:FreeRTOS低電力動作
Step5:FreeRTOS低電力動作

FreeRTOSアイドル時に低電力動作させるため、上書きしたProject0.cのvApplicationIdelHook()へ、WFI()を追記します。BuildしFreeRTOSベースプロジェクトが完成です。

あとがき:ダークモードと日本語コメント

Step4と5の図は、MCUXpresso IDEのAppearanceをデフォルト:ClassicからDarkに変更しています。

流行のDarkの方が、コード自体は見易いがコメントの方は今一歩に感じます。弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、Colors and Fontsにメイリオ11Pを使い、追記日本語コメントを文字化け無しに表示する方針で開発します。ClassicかDarkかは、お好みで選択してください。