FSPベアメタルサンプルのRTOSスレッド化

前投稿FSPベアメタルサンプルコード:sci_uart_fpb_ra6e1_epを、RTOSスレッド化する方法を示します。

多くのルネサスRA公式サンプルコードを活用した効率的なRTOSスレッド開発が本方法で可能です。FreeRTOS、Azure RTOS両方に使えます。

サンプルコードベースRTOSスレッド開発

RTOS開発は、複数スレッドを組合せ全体を動作させます。ベアメタルコードに比べ、個々のスレッドは、独立性や移植性が高い特徴があります。スレッド優先度やセマフォなどのRTOSオブジェクトを適切に設定すると、複数スレッド全体処理としてユーザ所望のシステム動作をします。

スレッドは、勝手に回る歯車、優先度やRTOSオブジェクトは、各歯車をシステム全体で上手く動作させる手段と考えると解りやすいと思います。

スレッドとRTOSの役目
スレッドとRTOSの役目

スレッド設計法は、機能別や処理手順別など様々あり、唯一の方法は無さそうです。しかし、先ずは、歯車となるスレッドを開発し、次に、開発スレッド優先度やRTOSオブジェクトを調整しながら、システム全体動作を仕上げるのがRTOS開発の方法です。

本稿は、スレッド単体開発の1方法として、ルネサスRAファミリ公式FSPベアメタルサンプルコードを活用したサンプルコードベースのRTOSスレッド開発法を示します。複数スレッドを組合せたRTOSオブジェクトの適切な調整や設定に関する内容は、含みません。

公式ベアメタルサンプルコードは、各ベンダエキスパートが開発し、評価ボードで動作確認済みの高信頼ソフトウェアです。また、MCU周辺機能毎に多くのサンプルコードが提供中です。

これらベアメタルコードを活用する本方法は、FreeRTOS/Azure RTOSどちらのRTOSスレッド開発へも使えます。

RTOSスレッド化方法

詳細は、後で説明しますが、先ず、ベアメタルサンプルをスレッド化する手順を簡単に示します。方法全体像が判っていると把握しやすいからです。

  1. スレッド無しで空の新規RTOSプロジェクト作成
  2. g_ioport以外のベアメタルサンプルFSPスタックを、RTOS FSPスタックへImport
  3. hal_entry.c以外のベアメタルサンプルsrcファイルを、RTOSプロジェクトsrcフォルダへコピー
  4. 新しいスレッド:MyThreadをRTOSプロジェクトへ追加後、Gegerare Project Contentクリック
  5. MyThread_entry.cへ、初期設定と無限ループ処理を追記

1で新規作成した空のRTOSプロジェクトへ、2と3で対象ベアメタルサンプルから内容を追加、4でベアメタルmain()相当の新しいMyThreadを追加後、FSPを使ってRTOSプロジェクトを自動生成します。

生成後、5でRTOSプロジェクトのMyThread_entry.c初期設定と無限ループを追記します。追記内容は、ベアメタルサンプルの初期設定と無限ループ処理です。

つまり、1~5手順全てFSPベアメタルサンプルからの単純コピーでRTOSスレッド化が可能です。

次章から、前投稿で用いたベアメタルサンプルコード:sci_uart_fpb_ra6e1_epを、FreeRTOSスレッド化する具体例を使って、各詳細手順を示します。

1. 空の新規FSP freertos_uartプロジェクト作成

スレッド無しで空の新規FreeRTOSプロジェクト作成
スレッド無しで空の新規FreeRTOSプロジェクト作成

スレッド無し空FreeRTOSプロジェクトを新規作成します。新規RTOSプロジェクト名は、freertos_uartとでもしてください。

2. sci_uart_fpb_ra6e1_epのFSPスタックImport

sci_uart_fpb_ra6e1_epのFSPスタックImport
sci_uart_fpb_ra6e1_epのFSPスタックImport

freertos_uartプロジェクトのFSPスタックへ、sci_uart_fpb_ra6e1_epのg_ioport以外のFSPスタックを全てImportします。Importした各スタックプロパティは、オリジナルプロパティと同じに手動で設定してください。

3. sci_uart_fpb_ra6e1_epのsrcファイルコピー

sci_uart_fpb_ra6e1_epのsrcフォルダファイルコピー
sci_uart_fpb_ra6e1_epのsrcフォルダファイルコピー

sci_uart_fpb_ra6e1_epのhal_entry.c以外のsrcファイルを全て、freertos_uartのsrcへコピーします。

4. freertos_uartプロジェクトへ新しいUart Thread追加後、Generate Project

新しいUart_Thread追加
新しいUart_Thread追加

新しいスレッドのSymbolは、Uart_threadとしてください。先頭を大文字にする目的は、FSPが自動生成したファイルやスレッドが使う全小文字表記とユーザ追加のそれらを、大小文字で区別するためです。

Tips:大文字利用は、好みの問題です。RTOS開発は、多数のスレッドやオブジェクトソースが、プロジェクト・エクスプローラのsrcフォルダに表示されます。自分が追加したソース(バグ有り?)と純FSP生成ソースを、一目で区別できるメリットがあります。

最後にGenerate Project Contentをクリックし、FSPによりRTOSプロジェクトを自動生成します。

5. Uart_Thread_entry.cへ初期設定と無限ループ処理追記

RTOSプロジェクトのsrcフォルダ内に、Uart_thread_entry.cが生成されます。

先頭の#include “Uart_thread.h”に、sci_uart_fpb_ra6e1_epのsrcファイルにある#include “common_utils.h”、 #include “uart_ep.h”、 #include “timer_pwm.h”を追記します。
これら4個の#include文は、freertos_uartの全srcファイルに手動で追記します。

Uart_thread_entry.cの初期設定
Uart_thread_entry.cの初期設定

RTOS初期設定は、Uart_thread_entry.c のTODO: add your own code here以下へ、sci_uart_fpb_ra6e1_epの初期設定:hal_entry.cのL41からL93までをコピーします。

sci_uart_fpb_ra6e1_epの無限ループ処理は、コピーした初期設定の後方にあるuart_ep_demo()です。

RTOS無限ループ内には、上図でコメントアウトしたコンテキストスイッチが必要です。そこで今回は、RTOSプロジェクトuart_ep.cのuart_ep_demo()内へ、直接コメントアウトしたFreeRTOSコンテキストスイッチ:vTaskDeley(1)を追記します。

uart_ep.cのuart_ep_demo()へ追記するコンテキストスイッチ
uart_ep.cのuart_ep_demo()へ追記するコンテキストスイッチ

Tips:#include “Uart_thread.h”が、FreeRTOS関連API:コンテキストスイッチ追記を可能にします。

sci_uart_fpb_ra6e1_epとfreertos_uartスレッド同一動作確認

RTOSプロジェクトをビルドし、評価ボードへダウンロード後、実行してください。前稿のベアメタルサンプルコードと全く同じ処理が、開発したfreertos_uartスレッドで確認できます。

FreeRTOS/Azure RTOSスレッド化差

本稿で示したFreeRTOSスレッド化とAzure RTOSスレッド化の差は、コンテキストスイッチのみです。FreeRTOSならvTaskDelay(1)、Azure RTOSならtx_thread_sleep(1)が、コンテキストスイッチです。

Tips:コンテキストスイッチは、FreeRTOS/Azure RTOS開発手法のRTOS処理フローなどを参照してください。

ベアメタルサンプルコードをAzure RTOSスレッド化する時は、手順1で、新規Azure RTOSプロジェクトを作成し、手順5のvTaskDelay(1)の代わりに、tx_thread_sleep(1)を使えばOKです。

Tips:FSP生成スレッドMyThread_entry.cの無限ループ内には、作成RTOSプロジェクトに応じて初めからvTaskDelay(1)、またはtx_thread_sleep(1)が実装済みです。

本方法が、FreeRTOS/Azure RTOSどちらのRTOSスレッド開発へも使えることが分かります。

補足

2023年1月16日、e2 stidioは2022-10のまま、RAファミリFSPがv4.2.0へ更新されました。本稿は、FSP v4.2.0/4.1.0両方で動作確認済みです。



FSP利用FreeRTOSアプリ起動動作

ルネサスFSPの役目、RTOSアプリ起動動作
ルネサスFSPの役目、RTOSアプリ起動動作

前回FSP利用FreeRTOSアプリの作り方で、ルネサス公式サンプルコードを流用・活用した実践的RTOSアプリ開発方法を示しました。今回は、前回開発したアプリを使ってFSPの役目、RTOSアプリがどのように動作開始するかを説明します。

これからRTOS開発を始めるベアメタル開発経験者に役立つと思います。

前回のおさらい

FPB-RA6E1評価ボードのLED1点滅速度を、SW1プッシュ割込みで変える1スレッドのみを持つRTOSアプリの開発方法を、新規FreeRTOS Blinkyプロジェクトへ評価ボード実装済みベアメタルサンプルコードを移植することで説明したのが、前回のfreertos_blinkyプロジェクトでした。

※12月9日投稿時、FSP Importした割込みコントローラ初期化の記述を忘れていました。翌日10日に追記済みです。お詫びします<(_ _)>。

本稿の目的

ルネサスFSP(Flexible Software Package)は、ベアメタル、FreeRTOSとAzure RTOS、これら3者に対応した周辺回路API とMCU起動ファイルを自動生成するツールです。

※MCU起動ファイルは本稿ではstartup.c、main.c、ユーザファイルの3つを指します。

従って、初めてFSPを利用する時は、戸惑う部分もあります。例えば、ベアメタル開発には無関係のスレッドやオブジェクト設定エリアがあること、FreeRTOS開発時でもタスクではなくスレッドへ統一された説明やパラメタ設定があるなどです。

つまり、1つのFSPでベアメタル、FreeRTOS、Azure RTOSの3者に同時対応したため、FSPパラメタ設定や説明に解りにくい点があります。

※本稿も、FSPに習ってタスクではなくスレッドを用います。

また、当然ですが、ベアメタルとRTOSでは、FSP生成のMCU起動コードも異なります。何度か開発すれば、ベアメタルとRTOSでどこが違うかが判ります。しかし、初めからハッキリ区別した説明があるとFSPとRTOS理解が早くなります。

そこで本稿は、FSP生成MCU起動ファイルとベアメタル/RTOSユーザファイルまでの動作差を説明します。

FSP自動生成MCU起動ファイル(startup.cとmain.c)

startup.c:リセット後のMCU動作開始には、動作クロック設定やRAMゼロクリアなど、様々な前処理が必要です。これら前処理を行うのが、startup.cです。startup.cは、ベアメタル/RTOSともに同じ処理です。

main.c:ベアメタルでは、startup.c→main.c→user_main.cと処理が進みます。RTOSは、startup.c→main.cだけです。main.cの処理内容がベアメタルとRTOSで異なります(次章の図参)。

ベアメタルのmain.cは、実質のメイン関数であるuser_main.cへの橋渡しファイルで処理はありません。なぜ橋渡しファイルを使うかは、後で説明します。

RTOSのmain.cには、ユーザがFSP Configurationで追加したスレッドやオブジェクトの生成関数が、FSPにより自動追加されます。例えば、前回のfreertos_blinkyプロジェクトのmain.cなら、下線部分です。

freertos_blinkyプロジェクトのmain.cファイル
freertos_blinkyプロジェクトのmain.cファイル

FSP生成のmain.cは、スレッドやオブジェクトを生成し、最後に橙色で囲ったRTOSタスクスケジューラを起動してリターン(終了)します。

つまり、RTOSのmain.cは、「全てのRTOS処理を開始するための前処理、準備」を行います。

因みに、FSP生成startup.cやmain.cは、ユーザが勝手に変更を加えにくいようプロジェクトファイル階層の深い部分や、ユーザフォルダ:srcとは別フォルダ内にあります。

FSP生成ベアメタルまたはRTOSユーザファイル(user_main.cまたはuser_thread_entry.c)

ベアメタル(左)とRTOS(右)のユーザファイル:srcフォルダ内容
ベアメタル(左)とRTOS(右)のユーザファイル:srcフォルダ内容

逆にユーザファイルは、変更を加え易いよう最上位のユーザフォルダ:srcの中にFSPが生成します。ベアメタルならuser_main.c、RTOSならuser_thread_entry.cです。

ベアメタルでは、実質のメイン関数:user_main.cがmain.cから起動します。user_main.cは、周辺回路の初期設定と、無限ループの2構成から成るごく普通のメイン関数です(関連投稿:組込み開発 基本のキ 組込み処理)。

一方、RTOSは、main.c内でFSPが追加した生成関数user_thread_createによりuser_thread_entry.cが起動します。前章のfreertos_blinkyプロジェクトで示すと、blinky_thread_createとblinky_thread_entry.cです。

ユーザが複数スレッドを追加した場合は、各スレッドが下図のようにmain.c内で生成され、RTOSによる複数スレッド並列動作となります。

ルネサスFSP生成のベアメタル起動動作(右)とRTOSアプリ起動動作(左)
ルネサスFSP生成のベアメタル起動動作(右)とRTOSアプリ起動動作(左)

それぞれのスレッドは、優先度やセマフォなどのRTOSオブジェクトに従って、つまりRTOS環境で制御されます。

FSP利用のRTOS開発は、main.cまでがベアメタル動作、これ以降はRTOS動作環境になります。

ベアメタルのmain.cがuser_main.cへの橋渡しファイルなのは、右側のRTOS動作環境の形に無理やり(?)合わせたためだと思います。FSPは、Azure RTOS>FreeRTOS>ベアメタルの順位で設計されたからでしょう。

まとめ:FSP利用FreeRTOSアプリ起動動作

ユーザ設定のFSP Configurationを基にFSPは、周辺回路APIを生成し、同時に、MCU起動ファイル(startup.cとmain.c)とユーザファイルを分離して生成します。

FSP自動生成ファイルやAPIには、ユーザが手動変更しないようわざわざ下記注意コメントが先頭に付いています。

/* generated XYZ source file – do not edit */

また、FSP生成ユーザファイルにも下記コメントが付いています。

/* TODO: add your own code here */

これらFSPコメントに従って、ユーザがコメントの後へユーザコードを追加すればアプリが開発できます。ただ、開発にはFSPが生成するファイル内容や、FSPが想定しているベアメタル/RTOSアプリ動作の理解が必須です。

そこで本稿は、FPB-RA6E1 FreeRTOSアプリ(freertos_blinky)を使ってFSPが生成したMCU起動ファイルとRTOSユーザファイル動作を説明しました。

その結果、ベアメタルでは橋渡し役のmain.cが、RTOSでは全てのRTOS動作開始の前処理、準備を行うことを示しました。

ルネサスMCU開発は、FSP理解が鍵です。FSPが自動生成するベアメタルとRTOSユーザファイルまでの起動動作が判ると、FSP理解とベアメタル開発経験者のRTOS開発が容易になります。



FSP利用FreeRTOSアプリの作り方

ルネサスFSP(Flexible Software Package)とサンプルコード利用の「実践的FreeRTOSアプリの作り方」を示します。下記の最新開発環境を用いました。古い環境や別評価ボードでも同じ結果が得られると思います。

 全体流れ説明

先ず本FreeRTOSアプリ開発の全体の流れを説明します。というのは、組込み開発で良くあるサンプルコード付属説明:readme.txtとソースコード動作が不一致など、少々込み入った内容を含むからです。

  1. FPB-RA6E1購入時インストール済みサンプルコード:qiuckstart_fpb_ra6e1_epは、ベアメタルソフト。readme.txt記載のSW1プッシュでLED1/2点滅速度変化とは不一致。
  2. SW1プッシュでLED1/2点滅速度変化へFSP改造(1と2は、ベアメタル開発)。
  3. FPB-RA6E1で、新規LED1/2点滅FreeRTOSアプリ作成(3以降は、FreeRTOS開発)。
  4. 作成FreeRTOSアプリのLEDスレッドへ、2.のベアメタルのSW1プッシュLED1/2点滅速度変化改造FSPと、ソースコード移植。
  5. LED2は、FreeRTOSアプリエラー表示用とするため、点滅処理から削除。

本稿の背景

ベアメタル開発者は1と2、RTOS開発者は3以降が実行できれば、SW1プッシュでLED1点滅速度変更の1スレッドのみを持つFreeRTOSアプリを開発できます。

「実践的FreeRTOSアプリ開発」としたのは、0からアプリを開発するのではなく、豊富に提供される公式サンプルコードを流用・活用し、所望アプリを早く効果的に開発する例を示したかったからです。

RTOSのメリットを説明した資料は多く見かけます。しかし、具体的なRTOSアプリ開発方法を示す資料が少ないことも背景にあります。

以下、1~5の説明を加えます。細かい説明は後回しにし、まとめ章を先に読むとより全体が解り易いと思います。従って、まとめ章を先に記述します。また、最後の章に、RTOS開発の基盤となるRAベアメタルテンプレート宣伝(?)もあります。

まとめ:実践的RTOSアプリ開発方法

評価ボード実装済みLED1とSW1は、いわば開発アプリ正常動作中を示すインジケータです。開発したFreeRTOSアプリをテンプレートとし、所望機能のスレッドを追加していけば、最終的に様々なFreeRTOSアプリを早期に開発できます。

FreeRTOSをRAファミリFSP利用例としましたが、Azure RTOSでも同様です。

つまり、本稿のアプリは、RTOSテンプレート骨格で説明した内容を、より具体化したものです。

もちろん複数スレッド追加時は、スレッド優先度やスレッド間制御(セマフォ/キュー/ミューティックスなど)の検討も必要になります。これらは、追加スレッドがほぼ完成した後の検討項目です。

先ずは、必要な個々のスレッドを単体・単独で開発し、その後、複数スレッド結合へと段階的に進める方法がRTOS開発には適していると考えます(関連投稿:FreeRTOS/Azure RTOSソフトウェア開発手法)。

複数スレッドの検討方法は、文章量が増えるため割愛しました。別途改めて、投稿する予定です。

1:qiuckstart_fpb_ra6e1_ep動作とreadme.txt

サンプルコードzip内のqiuckstart_fpb_ra6e1_ep
サンプルコードzip内のqiuckstart_fpb_ra6e1_ep

評価ボードに初めからインストール済みのサンプルコードが、quickstart_fpb_ra6e1_epです。zip内に収められています。e2 studioは、zip内にあるサンプルコード説明書:readme.txtをIDE内にインポートしません。

Tips:zip解凍後のreadme.txtを、サンプルコードプロジェクト内へ手動でコピーしておくと、いろいろ便利。
Tips:quickstart _fpb_ra6e1_epのfpb_ra6e1が評価ボード名、epはexample projectの略。別評価ボード利用時は、fpb_ra6e1部分が異なる。

quickstart_fpb_ra6e1_epのreadme.txtが下記です。

quickstart動作とreadme.txtの不一致箇所
quickstart動作とreadme.txtの不一致箇所

下線部:評価ボードSW1でユーザLED1/2点滅制御とありますが、この動作はFPB-RA6E1にはありません。しかし、quickstart_fpb_ra6e1_epソースコードには、SW1割込み処理:callback_irq1ds_buttonでLED1/2点滅delay変更処理が記述済みです。

これは、RAファミリのソースコードがHAL(Hardware Abstraction Layer)記述で、MCUが変わっても同じソースコードを使えるからです。別評価ボードのソースコードとreadme.txtを、そのままFPB-RA6E1へコピー流用している訳です。

組込み開発ではMCUの種類が多いため、このように既存資産をコピーして当該MCUコードや資料を作ることは良くあります。その結果、今回のようにreadme記述内容とサンプルコード動作が不一致なことも多々あります。

Tips:逆に上記は、MCUソフトウェア開発の本質が「サンプルコードやFSPなどの既存資産を上手くコピー活用すること」を示しているとも言えます!

2:SW1プッシュ割込みでLED1/2点滅速度変化へFSP改造

readme.txt記述とサンプルコード動作不一致の原因が、FSPです。

そのままコピーできるreadmeやサンプルコードと異なり、FSPは、当該MCU毎に設定が必要です。不一致の原因は、FPB-RA6E1のFSP設定にミス(忘れ)があるからです。

動作一致のためには、外部割込みコントローラ(External IRQ)とFPB-RA6E1のSW1(P205)の接続が必要です。下記のようにP205ピン設定を変更後、Generate Project Contentをクリックします。

quickstart_fpb_ra6e1_epを再ビルドし、評価ボードへダウンロードすれば、readme内容と同じSW1プッシュでLED1/2点滅速度が変わります。

外部割込みコントローラ(External IRQ)とS1(P205)を接続するピン設定
外部割込みコントローラ(External IRQ)とS1(P205)を接続するピン設定

3:LED1/2点滅新規FreeRTOSアプリ作成

新規FreeRTOSアプリ作成は、ベアメタルアプリ作成と同じ方法です。そこで、本稿は、ベアメタル作成との差分のみを示します。

LED点滅の新規FreeRTOSアプリ作成(ベアメタル作成との差分)
LED点滅の新規FreeRTOSアプリ作成(ベアメタル作成との差分)

新規作成FreeRTOSプロジェクト名は、freertos_blinkyとでもしてください。FSP Summaryが下記です。

FSP Summary
FSP Summary

このfreertos_blinkyを評価ボードへダウンロードすると、LED1/2が1秒毎に点滅します。生成したLEDスレッド:blinky_thread_entry.cのvTaskDelay(configTICK_RATE_HZ)が、1秒点滅の仕組みです。

4:LEDスレッドへ、2:SW1プッシュLED1/2点滅速度変化改造FSP移植

2:で改造したSW1割込みでLED1/2点滅速度を変える機能を、3の新規FreeRTOSアプリへ移植します。

freertos_blinkyのFSP Stacksタブを選び、画面上で左クリックしImportを選択します。From fileにquickstart_fpb_ra6e1_epを選び、configuration.xmlを開きます。Stack ImportでExternal IRQを選ぶとquickstart_fpb_ra6e1_epの割込みコントローラ設定がfreertos_blinkyへ移植できます。

Tips:移植するFSPスタック数が多い時は、Import機能が便利。

FSP Import
FSP Import

しかし、割込みコントローラとSW1(P205)間の接続はImportできません。そこで、1:と同様にP205ピン設定を割込みコントローラと接続し、Generate Project ContentクリックでFSP移植は完了です。

Tips:FSP Importは簡単便利だが、上記のように同一MCUであっても、ピン設定はImportされない。また、ピン設定が無くてもエラー表示もない。代替方法に、New Stackクリックでスタック群から追加機能を選ぶ方が、ピン設定忘れが少ないかもしれない。

次に、SW1割込み処理:callback_irq1ds_buttonを移植します。

callback_irq1ds_button処理は、e2studioのDeveloper Assistanceを開き、callback_function_definitionをクリックし、blinky_thread_entryの後へペーストで追記します。今回は、TODO:add your own code hereコメント後へ、quickstart_fpb_ra6e1_epのSW1割込み処理をコピー&ペーストし移植します。

コピー後エラーが表示される箇所は、全て定数未定義部分ですので、quickstart_fpb_ra6e1_ep定数部分もコピー&ペーストします。

Tips:e2 studioは、デフォルトではソースコード変更後、このように即コンパイルエラーを表示。

最後に、vTaskDelay(configTICK_RATE_HZ)のconfigTICK_RATE_HZ を、割込み処理で作成したg_delayへ変更します。

以上で、割込み処理の移植完了です。ビルドし、SW1でLED1/2点滅速度が変わることが確認できます。

SW1割込み処理:callback_irq1ds_buttonの移植
SW1割込み処理:callback_irq1ds_buttonの移植

12月10日追記:FSP Importした割込みコントローラ初期化の移植記述を忘れていました。追記します。

Importした割込みコントローラの初期化:icu_initializeも、下図のようにblinky_thread_entry.cへ移植します。

割込みコントローラの初期化処理の移植
割込みコントローラの初期化処理の移植

5:LED2点滅処理削除

LED2は、FreeRTOSアプリのエラー表示に使います。例えば、追加したスレッド初期設定に失敗した時のインジケータなどです。そこで、下記のようにLED2をLEDスレッドの点滅処理から外します。

LED2点滅処理削除
LED2点滅処理削除

以上で、SW1プッシュでLED1点滅速度変更の1スレッドのみを持つFreeRTOSアプリ完成です。

このFreeRTOSアプリへRTOSテンプレート骨格で投稿した7メニュー形式表示、LED2エラー表示などの機能を更に追加しFreeRTOSテンプレートとします。

FreeRTOSテンプレートは、全てのFreeRTOSアプリ開発の出発点となり、所望スレッド機能を追加していけば、効率的に様々なRTOSアプリ開発が可能です。

Tips:本稿はFreeRTOSテンプレート開発方法に重点を置き投稿。実FreeRTOSテンプレートは、もっと解り易い構造とソースコードで提供。

RTOS開発はベアメタル開発スキル必須

前章1~5から「RTOS開発には、ベアメタル開発スキルが必須」であることがお解り頂けたと思います。

組込み開発は、説明不足の事柄が非常に多いです。また、サンプルソフトとreadme.txtなどの説明不一致も多々あります。説明対象を初心者/中級者の誰にするか、どこまで説明するか、などなど読者を絞り難いこと、説明側にとっては、自明の理の内容が多いことがその理由です。

本稿で追記したTipsや背景となる技術スキルが無いと効率的に先へ進めないと思います。ベアメタルを補う目的のRTOS開発ではなおさらです。

RAファミリで、FSP利用の効率的なベアメタル開発スキルを身に付けるには、弊社RAベアメタルテンプレートがお勧めです。ソースコードに豊富な日本語コメントを付加し、付属説明資料にはTipsやFSPノウハウなども記載しています。RAベアメタルテンプレート説明サイトは、コチラをご覧ください。

ルネサス以外のベアメタル用テンプレートも多数ご用意しております。また、NXPのFreeRTOSアプリケーションテンプレートも販売中です。



RA用e2studio 2022-07リリース

2022年8月31日より、FSP v4.0.0同梱RAファミリ最新開発環境e2studio 2022-07が、ダウンロード可能です。

FSP for RA MCU Family, version 4.0.0. (2022/08/31)

FSP同梱インストーラ利用指示

RAファミリはFSP同胞インストーラ利用指示
RAファミリはFSP同梱インストーラ利用指示

RAファミリ以外の単体e2studioバージョンアップは、7月20日でした。

RAファミリのアップデートは、上記リリースノートのようにFSP(Flexible Software Package)同梱インストーラ利用指示があるため、RA用のe2studio 2022-07リリースは、単体から1.5ヶ月遅れの8月31日になりました。同梱インストール理由は、不明です(単体e2studio+単体FSPインストールも可能ですが、指示に従う方がBetter)。

また、e2studio 2022-04以降、Windows 11-64bitに正式対応しました。弊社の先行Win11 21H2も、最新FSP同梱RA用e2studio 2022-07の正常動作確認済みです。

但し、ルネサス半導体セミナーやリリースノート、サンプルコードの説明書きなどは、未だWin10です。

Win11への移設は、今秋予定の22H2発表後でも良いと思います。Win11 22H2は、9月20日リリース情報があります。仮に9月20日なら、次回投稿は、弊社Win11 21H2の22H2大型更新レポートになるでしょう。

Example Project Bundle

RA6E1(左)とRA4E1(右)サンプルコード一覧
RA6E1(左)とRA4E1(右)サンプルコード一覧

弊社推薦RA6/4ファミリ評価ボード:FPB-RA6E1、FPB-RA4E1サンプルコード:FPB-RA6E1/FPB-RA4E1 Example Project Bundleも、最新版がリリースされました(2022/08/11)。

最新Example Project Bundleでも、多くのベアメタルサンプル、FreeRTOSサンプルは1個(下線)、Azure RTOSサンプルは0個です。

Cortex-M33コア採用のRA6/4は、IoT MCUでFSPもRTOS対応済みです。先ずは、ベアメタル開発でFSPに慣れてもらうという意図でしょうか?

RA開発環境まとめ

9月16日時点の最新RA開発環境バージョンアップ状況をまとめたのが下図です。

RA用開発環境のバージョンアップ状況
RA用開発環境のバージョンアップ状況

RA用の開発環境は、FSPバージョン版数が不揃いです。例えば、FSP同梱e2studioのFSP版数は、v4.0.0なのに、最新Example Project BundleのFSP版数は、v3.8.0で1世代前です。

しかし、v3.8.0のExample Project Bundleは、下図のようにFSP ConfigurationのBSPタブで最新FSP version 4.0.0へ変更が可能です。変更後、Generate Project Contentをクリックすれば、FSP v4.0.0でのAPIコードやひな型コードが生成されます。

FSPバージョン変更方法
FSPバージョン変更方法

また、直にIoT MCU RTOS開発を始めたいベアメタル開発経験者には、FreeRTOSやAzure RTOSサンプルコード数が少ないことも問題です。

対策案として、前投稿説明のベアメタルサンプルコードからRTOSコードを自作する方法をお勧めします。

RTOSの目的や機能を教科書から学ぶよりも、自作サンプルコードから理解していくベアメタル起点のRTOS習得方法は、RTOSスキルを磨きベアメタル補完RTOS開発の面白さを知る良い方法だと思います。

RAベアメタルテンプレート発売

FPB-RA6E1で動作中のSimpleTemplateとRTT Viewer
FPB-RA6E1で動作中のSimpleTemplateとRTT Viewer
FPB-RA4E1で動作中のBaseboardTemplateとRTT Viewer
FPB-RA4E1で動作中のBaseboardTemplateとRTT Viewer

ルネサスCortex-M33コア搭載RAファミリ向けRAベアメタルテンプレート(税込1000円)を本日より発売します。概要、仕様、テンプレート提供プロジェクト構成は、コチラから無料ダウンロードできますので、ご検討ください。

RAファミリのポジション

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)

ルネサスのARM Cortex-M系MCUは、競合他社比、発売が出遅れました。RXやSynergyなどの独自32ビットMCUファミリも供給中のルネサスRA位置づけが上図です。詳細は、コチラの関連投稿3章に説明済みです。

まとめると、RAファミリは、外付けE2エミュレータなどが不要の低価格評価ボードと容量制限なし無償コンパイラ利用など、他のルネサス32ビットファミリには無い個人レベルでも開発可能なARM Cortex-M33/M23/M4コア採用IoTセキュリティ強化MCUです。

RAファミリ開発の鍵:FSP

Flexible Software Package構成
Flexible Software Package構成

RAファミリ開発の鍵は、FSP:Flexible Software Packageです。一言で言うと、HAL APIコード生成ツール。MCU動作速度、内蔵周辺回路などのパラメタをGUIにより設定後、RAファミリ間で共通のHAL APIを一括生成します。
※HAL:Hardware Abstraction Layer

FSP活用で、RAファミリ間での移植性に優れたソフトウェア開発ができます。しかしながら、多くのパラメタをGUI上で設定するため、煩雑で特に初心者にとっては取っ付きづらい面もあります。

また、競合他社より後発のIoT向けMCUですので、FreeRTOSやAzure RTOS、TrustZoneなどのIoTセキュリティにも対応しています。RAファミリの拡張性、将来性を提供するツールがFSPです。

つまり、FSP習得が、RAファミリを使いこなす鍵です(コチラの関連投稿で詳細が判ります)。

RA6/4E1グループ選択理由

RAファミリカタログ(出典:ルネサス)
RAファミリカタログ(出典:ルネサス)

様々なラインナップを供給するRAファミリの中で、汎用性と超低価格な評価ボードも供給済みなのが、RA6E1グループ(Cortex-M33/200MHz)とRA4E1(Cortex-M33/100MHz)グループです。

※RA6E1評価ボード:FPB-RA6E1、RA4E1評価ボード:FPB-RA4E1

RA6/4E1グループとFSPで開発したソフトウェアは、RAファミリ間で共通に使える汎用性を持ちます。また、評価ボードで動作するFSPサンプルコードもありますので、FSP習得にも適しています。

RA6とRA4の分岐点は、最大動作周波数です。

240MHz動作のRA6は、大容量Flashを搭載し、高性能で多機能MCUマーケットを狙い、更に高性能なRA8シリーズへの発展性があります。100MHz動作のRA4は、高性能低消費電力MCUマーケット狙いで、Cortex-M23搭載5Vトレラント性も持つRA2シリーズへ高い親和性を持ちます。

従って、RAファミリ開発を始めるMCUとして、RA6/4E1グループいずれも適していると言えるでしょう。

※RA6最大動作周波数は、カタログでは240MHzとありますが、RAベアメタルテンプレートで用いた評価ボードFPB-RA6E1は、最大200MHz動作です。他RA6シリーズも、同様に現在200MHzです。
※RA8シリーズは、未発売です。

実務直結RAベアメタルテンプレートでFSP習得

近い将来、RTOSやTrustZoneなど、多くのIoT MCU技術を学ぶ必要があります。それでも、MCUの基本技術は、ベアメタルです(コチラの関連投稿参照)。

弊社RAベアメタルテンプレートVersion 1は、RAファミリ中核汎用RA6/4E1グループの超低価格評価ボードを使い、基本のベアメタル開発で、効率的にFSPを習得することが目的です。

FSP習得には、評価ボードサンプルコードが適しますが、サンプルコードは、複数処理が当然の実務応用が簡単ではありません。弊社テンプレートは、複数サンプルコードの活用・流用が簡単で、実務にも使えます。

弊社テンプレートと詳細な説明資料、安価で簡単、拡張性にも優れた推薦開発環境を使えば、誰でも簡単にMCUベアメタル開発の高い障壁を乗越えられ、かつ、FSP習得も可能です。

RAベアメタルテンプレート購入方法は、コチラを参照してください。ご購入、お待ちしております。

FSP v3.6.0更新

昨年12月、RAファミリ開発ツールFSP v3.5.0更新から3ヶ月後の3月5日、新FSP v3.6.0付きe2 studio 2022-01最新版がリリースされました。3月25日、各種評価ボードサンプルコードもFSP v3.6.0対応版となり、RAファミリ開発環境が新しくなりました。

※FSP v3.6.0付きe2 studio 2022-01は、コチラからダウンロードできます。
※各種RA評価ボードサンプルコード FSP v3.6.0版は、コチラからダウンロードできます。

新RAファミリ開発環境

弊社RAファミリ向けテンプレートは、FSP v3.5.0で開発し、3月末発売を予定しておりました。ところが、本家ルネサスRAファミリ開発環境の主役FSPがv3.6.0へ更新され、評価ボードサンプルコードもこれに対応しました。

従って、弊社テンプレートも、これら新環境への対応を確認した上で発売する方が、テンプレートご購入者様の更新手間などを避けるため、好ましいと判断しました。

新開発環境で再構築した弊社RAファミリテンプレートV1(ベアメタル版)発売は、4月末に変更致します。

3ヶ月開発

RAファミリ開発環境の主役:FSP、脇役:e2 studio、各種評価ボードサンプルコードの関係は、コチラに投稿済みです。また、RAファミリテンプレート(ベアメタル版)構想は、コチラの4章、昨年12月の頃です。

RAファミリロードマップ(出展:ルネサスセミナー)
RAファミリロードマップ(出展:ルネサスセミナー)

一方、ルネサスFSP更新は、2~3ヶ月間隔で行われます。新発売のRAファミリデバイスが追加されるためでしょう。今回のように、開発製品リリース直前でFSP更新や開発環境が新しくなることは、多々あり得ます。

ルネサスRA6シリーズウェビナーで紹介された、RAファミリロードマップが上図です。今年以降も、圧倒的な製品展開スピードで新デバイスがどんどん追加されます。

殆どの場合、開発製品は、新環境へもそのまま適用できるハズです。が、その確認には、時間と手間が掛かります。

今回発売変更の教訓は、資料作成なども含めた開発開始から終了は、3ヶ月程度で1開発を完了させるスピード開発が必要だと言うことです。

このスピード開発には、開発中のRAファミリテンプレートが役立ちます。0から開発するのに比べ、既に動作確認済みのテンプレートへ実装機能を追加すれば、プロトタイプが出来上がるからです。

このRAファミリテンプレートは、App0を基に開発しています。App0投稿は、コチラを参照ください。

RAアプリケーション開発の骨格

ルネサスRAファミリ評価ボードの動作テストプログラムと、周辺回路サンプルコードから判るRAファミリアプリケーション開発Tipsを示し、このTipsで開発したアプリケーション:App0を公開します。

評価ボードは、RA6E1を用いましたが、他のRAファミリ評価ボードでも同じです。

RAアプリケーションApp0のRTT Viewer出力
RAアプリケーションApp0のRTT Viewer出力

hal_entry.cとuser_main.c分離

RAファミリは、評価ボード毎にサンプルコードが提供されます。例えば、RA6E1の場合は、FPB-RA6E1 Example Project Bundleがそれで、この中にADCやタイマなどの周辺回路サンプルコードがあります。また、評価ボードテストプログラム:TP(quickstart_fpb_ra6e1_ep)も含まれており、他の周辺回路サンプルコード:EP(Exampleプログラム)とは少し違うファイル構造になっています。

違う原因は、EPが、コード判り易さのため、メイン処理をhal_entry.cに集中して記述するのに対し、TPは、様々な評価ボードへも対応するため、いわば汎用アプリケーション構造となっているからです。

簡単に言うと、FSPが生成するメイン処理:hal_entry.cと、ユーザ追記のメイン処理:user_main.cをファイル分離し、ユーザ開発部分の可搬性を上げた構造を持つのがTPです。

開発したMCUアプリケーションに可搬性があると効率的で生産性もあがります。TP同様、RAアプリケーションも、hal_entry.cとuser_main.cを分離した構造で開発する方法をお勧めします。

※FSP(Flexible Software Package)やサンプルコードの詳細は、コチラの関連投稿を参照ください。

SEGGER RTT Viewer利用

TPとEPには、もう1つ違いがあります。それは、EPには、PC入出力マクロが実装済みの点です。

例えば、gpt_fpb_ra6e1_ep(最初のgptが汎用PWMタイマ、fpb_ra6e1が評価ボード、epがExample Programを示す)ならば、タイマ利用例をPCへ出力し、その設定値をPCから入力できます。

対PC通信にはUSB経由Virtual COMポートを利用する評価ボードが多いのに対し、ルネサスRAファミリは、評価ボード実装デバッガのSEGGER RTT Viewerをこの役目に使います。USARTなどのMCU資産を消費しないメリットがあります。

PCでRTT Viewerを使うには、コチラからJ-Link Software and Documentation Packをダウンロードし、PCへインストール後、J-Link RTT Viewer起動で評価ボードとPC通信ができます(最初の図)。

但し、RA6/4などCortex-M33コアファミリ開発の場合は、ビルド後生成されるmapファイルからRTT Control Block Addressを探し、Viewer起動ダイアログへ入力する必要があります。

プログラム変更やFSP版数が変わると、このBlock Addressも変わるので、生成mapファイルAddress値の再入力が必要です。

RAアプリケーション開発時にも、このPC通信マクロが使えるとprintf/scanfの代用になり便利です。FSP生成プロジェクトでPC通信マクロを利用するには、生成プロジェクトのsrcフォルダへ、SEGGER_RTTとcommon_utili.hの両方を手動で追加します。

追加元のSEGGER_RTTとcommon_utili.hは、どのEPのものでも構いません。

App0特徴

以上から、RAアプリケーション開発時は、FSPが生成するオリジナルファイルに

①HAL生成メインhal_entry.cとユーザ追記メインuser_main.cを分離したファイル構造
②srcへSEGGER_RTTとcommon_utility.hの手動追加

を行うと、ユーザ開発ソースコードのRAファミリ間での可搬性が高く、PC通信も容易なアプリケーションの骨格(Skelton)が完成します。

この方法で開発したアプリケーション:App0を示します。タイトルをPCへ出力するだけのアプリケーション骨格です。この骨格に、開発ソースコードを肉付けしていけば、肉付けソースコードのRAファミリ間可搬性が高く、デバッグ効率も高いアプリケーション開発ができます。

RAファミリアプリケーション開発骨格:App0
RAファミリアプリケーション開発骨格:App0

開発したApp0プロジェクト圧縮ファイルは、コチラよりダウンロード可能です。ご自由にご利用ください。

e2 studioへのインポート方法は、インポート>既存プロジェクトをワークスペースへ>アーカイブ・ファイルの選択で、App0.zip指定です。

App0開発手順

以下にApp0プロジェクトの作成手順を示します。

1)FSPで新規Bare Metal – Minimalプロジェクト生成
2)App0 FSPパースペクティブでGenerate Project Contentクリック
3)他の周辺回路サンプルコードのsrc>SEGGER_RTTとcommon_utility.hをコピーし、App0プロジェクト>srcフォルダへペースト
4)src>hal_entry.cのL3へextern void UserMain(void)追記、L19へUserMain()追記
5)src上で新規>ソース・ファイルをクリックし、UserMain.c追加
6)src上で新規>ヘッダー・ファイルをクリックし、UserDefine.h追加
7)UserMain.cとUserDefine.hへ、前章ソースコード追記
8)ビルドし、Debug>App0.mapファイルから_SEGGER_RTTを検索、そのアドレスを、RTT Viewer起動ダイアログのRTT Control Blockへ入力後OKクリック
9)評価ボードへApp0をダウンロード、実行
10)PCのRTT Viewerで図1のタイトル出力確認

4、5、6の追加ファイル名は、UserMain.c、UserDefine.hなど先頭大文字のPascal形式を用いています。これは、プロジェクト・エクスプローラーでオリジナルのFSP生成ファイルとユーザ追加ファイルの識別が容易になるからです。

また、筆者は、Cソース・ファイル毎にヘッダー・ファイルを追加するより、ソース・ファイル内にプロトタイプ宣言を追記し、個別ヘッダー・ファイルを追加しない方が好みです。4のhal_entry.cへUserMainプロトタイプ宣言を追記したのも、このためです。

UserMain()は、初期設定と無限ループに分け、初期設定にRttInit()とUserInit()を追加しています。RttInit()でタイトルをPCへ出力し、UserIint()は、内容が何もありません。骨格ですので、利用する周辺回路に応じて、ここへ初期設定コードを追記することを想定しています。

App0のプロジェクト構成とRTT Viewerへのmapアドレス設定の様子
App0のプロジェクト構成とRTT Viewerへのmapアドレス設定の様子

まとめ

RAファミリ評価ボードテストプログラムと周辺回路サンプルコードから、hal_entry.cとuser_main.cの分離ファイル構造と、RTT Viewer利用の対PC通信マクロ実装済みのアプリケーションスケルトン(骨格):App0を示しました。

この骨格へ、開発ソースコードを追加していけば、ユーザ追加部分のRAファミリ間可搬性が高く、デバッグ効率も高い、RAファミリアプリケーションが開発できます。

もちろん、3月末を目標に開発中のRAファミリテンプレートも、このApp0へ評価ボード実装LED点滅やチャタリング対策済みSW機能などを追加します。RAファミリテンプレート構想はコチラの4章、RAテンプレートの仕組みはコチラの関連投稿を、参照ください。

最近の組込みCコード書き方

RAファミリFSP生成のBare Metal Blinkyサンプルコードの書き方が、筆者のCコード書き方と違っていて驚いた点を示します(FSP:Flexible Software Packageとは何かは、コチラの関連投稿を参照)。

変数宣言位置

FSP生成Bare Metal Blinkyサンプルコードの変数宣言
FSP生成Bare Metal Blinkyサンプルコードの変数宣言

筆者のC変数宣言は、関数の冒頭、実行文の前に全ての変数宣言を行います。しかし、Bare Metal Blinkyサンプルコードは、変数が必要になった直前で変数宣言をしています。こちらの方が、コードが読み易いですね。

これは、使うC言語規格が異なるからです。筆者は、古いC90(1990年版)、FSPは、C99(1999年版)以降の規格、書き方を採用しています(参考文献:C言語の仕様)。

C言語規格も改良や改版が進み最新規格は、C11(2011年版)です。更に、C17やC2xなどへ進化中だそうです。下位(旧版)互換性は、コンパイラが賢いので保たれています。エッジAIが導入されると、古い書き方は止めなさいとアドバイスが出たりするかもしれません😅。

IoT MCU開発では、従来比、他者が開発したコードやライブラリを読み、理解・利用する機会も格段に増えます。

独立行政法人情報処理推進機構から、組込みソフトウェア開発向けコーディング作法ガイド[C言語版]ESCR Ver. 3.0(2018年)のPDF版がダウンロード可能です。

ガイド想定利用者は、プログラマやレビュー者(P3参照)とありますので、本ブログ読者は目を通しておくのも良いと思います。

新しい規格に縛られる必要は、コンパイラのおかげでありません。しかし、FSP生成サンプルコードに習い、今後はC99以降の書き方を採用します。

いわゆるLチカサンプルコードであっても、なおざりにできない例です。そこで、基になったFSP生成のBare Metal BlinkyとMinimalスケルトン(骨格)の差をまとめます。

Bare Metal Blinky生成方法

各種周辺回路サンプルコードは、FSPとは別に評価ボード毎に提供されます。しかし、Bare Metal Blinkyだけは、FSPで生成可能です(FSPと評価ボード毎の周辺回路サンプルコードは、コチラの関連投稿を参照)。

その狙いは、筆者のような古いC記述者へ新しい記述法を知らせる、または、Blinkyと周辺回路無しのMinimalなスケルトンとの差分を知らせる、などが考えられます。

FSP生成Bare Metal Blinkyは、通常の新規プロジェクト作成方法と同じ、ファイル>新規>Renesas C/C++ Project>Renesas RAクリックが最初の手順です。ダイアログに従って手順を勧めると、最後にBare Metal – BlinkyかMinimalかの選択が可能です。

Bare Metal Blinky生成方法
Bare Metal Blinky生成方法

Blinky選択とFinishクリックで、g_ioport I/O Portスタックだけが配置済みの[Blinky]FSP Configurationパースペクティブが開きます。

[Blinky] FSP Configurationのスタック
[Blinky] FSP Configurationのスタック
念のため、Generate Project Contentをクリック後、src>hal_entry.cを開くと、1章で示したC99以降の書き方で記述したBlinkyサンプルコードが生成されます。

Bare Metal BlinkyとMinimalの差分

Bare Metal Blinky(左)とMinimal(右)の差分
Bare Metal Blinky(左)とMinimal(右)の差分

BlinkyとMinimalスケルトンの差は、hal_entry()のTODO: add your own code hereの下にBlinkyコードが有るか無いかだけです。FSP Configurationも全く同じです。

つまり、IOPORT未使用のアプリケーションは無いので、例えMinimalと言えデフォルトでg_ioport I/O Portスタックは配置済みで、そのスタック利用例がBlinkyという訳です。

FSP生成Bare Metal Blinkyに習い、筆者も今後はC99以降の新しい書き方でCソースコード記述をしていきます。

RAテンプレート仕組み

ルネサスRAファミリテンプレート(ベアメタル編)を3月末目標に開発中です。サンプルコード活用・流用によるアプリケーション開発が容易なことが、弊社テンプレートの特徴です。このテンプレート仕組みを “少しだけ(!?)” 説明します。

全部説明すると、読者ご自身でテンプレートを開発し、購入者数が減るかもしれないからです😂。

仕組みまとめ

MCU開発者の最初の壁に穴をあけるテンプレート
MCU開発者の最初の壁に穴をあけるテンプレート

テンプレートの仕組みを “少し” しか説明しないので、まとめを最初に示します。

MCUアプリケーション早期開発は、ベンダ提供の公式サンプルコード活用・流用が王道です。しかし、単機能の利用例を判り易く示すことが目的のサンプルコードでは、複数機能の並列実装が困難です。

MCU開発の最初の壁が、この「サンプルコードを、どのように実開発へ利用するか」です。

既に弊社テンプレートの購入者様、または上級者は、この壁を突破し効果的サンプルコード活用アプリケーション開発方法を知っています。Know-how(ノウハウ)です。

サンプルコード利用時の課題は、「無限ループ」です。

この課題に、弊社テンプレートは時分割で対応しました。説明を更に加えると、読者がご自分でテンプレート相当を開発される危険性がありますので、仕組み説明はここまでにします。

以降の章は、サンプルコード課題の具体例を示します。また、この課題が生じる原因、特にRAファミリ開発でFSPサンプルコードが重要である訳を説明、最後にテンプレートのメリットを示します。

RAファミリに限らずプロトタイプ開発や早期アプリケーション開発が目的の弊社テンプレートにご興味がある方は、テンプレートサイトに主要ベンダテンプレートが各1000円で販売中、概要は無料ダウンロード可能です。

※RAファミリテンプレート(ベアメタル編)も1000円予定。FreeRTOS対応アプリケーションテンプレートのみ2000円。RAファミリテンプレートもV2以降でRTOS対応予定。

販売テンプレートには、本稿で説明できない多くの工夫も実装済みです。ダウンロード概要を読んで、自作されるよりも、弊社から是非ご購入ください😌。

サンプルコード課題の具体例

評価ボードテストプログラム構造(FPB-RA6E1の例)
評価ボードテストプログラム構造(FPB-RA6E1の例)

サンプルコードを実開発へ利用する時の課題、具体例を示します。

RAファミリ評価ボードのテストプログラム:TPです(プロジェクト名:quickstart_fpb_re6e1_ep)。電源投入後、搭載LEDが点滅し、SW押下げで点滅間隔が変わり、評価ボードの正常性をテストします。

このTPのuser_main部分を抜粋しました。評価ボードにより多少異なりますが、基本動作は同じです。

LED点滅間隔は、無限ループ内のR_BSP_SoftwareDelay(g_delay)が決めます。このR_BSP_SoftwareDelay処理中は、MCUを独占するため、他の処理はできません(割込み処理は除く)。

MCUの並列処理は、RTOS利用が常套手段ですが、RTOS理解やベアメタル比大きな処理能力とRAMが必要です。

そこで、RTOSを使わずにベアメタルで並列処理をするため、LED点滅を時分割処理し、空き時間に別処理を実行するのが、テンプレートの仕組みです。

テンプレートの仕組み
テンプレートの仕組み

サンプルコード課題の原因

サンプルコードの構造は、基本的な「初期設定」+「無限ループ処理」です(基本のキ:組込み処理参照)。

この構造で、①内蔵周辺回路の初期設定 → ②周辺回路の監視(時間消費も含む)→ ③監視結果の処理実行を行います。②と③を、無限ループ内で繰返します。

①初期設定と③結果処理は、開発アプリケーションへそのまま流用ができます。問題は、結果処理以外の無限ループ内が全て監視(時間消費)になる点です。監視中は、他の処理はありません。

つまり、周辺回路のMCU「専用」利用例という訳です。専用ですから、監視結果の処理実行が有ろうが無かろうが問題はありません。

ところが、1つの無限ループ内へ、単純に別周辺回路の「②監視と③結果処理」を入れると、無限ループは、周辺回路「専用」から「共用」へ変ります。

共用する他の周辺回路の監視結果処理の実行有無に応じて、もう1つの周辺回路の監視結果起動間隔も変わります。起動間隔が変わっても問題ない場合もありますが、多くの場合、問題でこれが課題です。

例えば、ウオッチドックタイマ定時リセットや、前章のLED点滅間隔などです。

共用無限ループ内の別サンプルコード処理有無により、当該サンプルコード処理間隔が変わるという問題は、開発初心者には簡単に解決できない大きな壁:課題です。

FSPサンプルコードが重要な訳

FSP構成とGUI設定の様子
FSP構成とGUI設定の様子

RAファミリ共通のHAL API生成ツールがFSPです。FSPのBoard Support Package (BSP)とHardware Abstraction Layer (HAL)Driversが、評価ボードとRA MCU差を隠蔽し、RAファミリ共通APIをGUIで生成します。

Boardは、評価ボードを指しますが、ユーザ独自開発ボードでも、BSPだけを変更すれば、評価ボードを使って開発したソフトウェアが、そのまま独自開発ボード上でも動作します。

つまり、FSPは、プロトタイピング開発に適したツールです。RAファミリアプリケーションの早期開発ポイントは、FSP活用です。但し、FSPソフトウェア開発者は、知っておくべき作法があります。

例えば、2章で示したGPIO制御前後のR_BSP_PinAccessEnable()やR_BSP_PinAccessDisable()などです。これらは、BSP GPIOレジスタの電圧レベルアクセス制御許可/禁止を設定します。

仮に、R_BSP_PinAccessEnable()をコメントアウトすると、ビルドは成功しますがLEDは点滅しません。ワーニングなどもありませんから、作法を知らないと点滅しない原因は、まったく不明になります。

これらは、GPIOアクセスとセットで知るべき作法です。このような作法は、分厚いFSPユーザマニュアルのどこかに記載されているハズですが、ルネサスエキスパートが提供するサンプルコードからセットで抜き出し、そのまま利用する方が簡単です。

※BSP GPIOアクセスの代わりに、上記許可/禁止追記不要なHAL GPIOアクセスもあります。コレも作法の1つです。

また、ルネサス独自内蔵周辺回路:イベントリンクコントローラのサンプルコードなども、同一MCUコア利用の競合他社差別化に役立つかもしれません。
※イベントリンクコントローラは、MCUを介さずに周辺回路間の連携動作が可能なハードウエア。

マニュアルよりもサンプルコードを読み、評価ボードで試す、“習うより慣れよ” です。

FSPサンプルコードは、このような作法や差別化ヒントが詰まった宝庫です。RAファミリアプリケーション開発には、必読書です。

FSP開発例はコチラ、評価ボードサンプルコードは、コチラの関連投稿も参照ください。

テンプレートメリット

本稿では、しばしば “そのまま” という太字キーワードがでてきます。MCUアプリケーション開発は、ベンダ公式サンプルコードが、そのまま利用・活用する部分と、開発者が “工夫を加える部分” とを、素早く見極める目:Know-howも必要です。

Know-how獲得には、弊社テンプレートとMCU評価ボード+Baseboardが、お役に立てると思います。テンプレートもアプリケーションの1つなので、テンプレートへ追記した豊富な日本語コメントで、そのまま流用している部分と、工夫を加えた部分がソースコード上で確認できるからです。

テンプレートを活用し、アプリケーションをプロトタイピング、次ステップでプロトタイプアプリをチューニングし、完成度を上げます。

プロト目的は、アプリ早期開発、この目的に、ベンダ公式サンプルコード流用・活用と弊社テンプレートを利用します。

既製品の流用・活用・利用は、物足りなく感じる方もいるかもしれません。しかし、弊社テンプレートは、チューニング時、開発者が工夫を追加できる余地がいくらでもあります。アプリ完成度向上には、ご購入者独自の工夫も大切ですので、ご安心ください😁。

RAファミリ開発環境Tips

ルネサス統合開発環境:e2 studioが、2022-01へバージョンアップされました(2022年1月16日号TOOL NEWS)。RAファミリは、「ソフトウェアパッケージ(=FSP)が同梱されたインストーラをダウンロードしインストールを行うこと」と、アップデート方法に注意書きがあります。

ところが、リンク先インストーラのe2 studioバージョンは、本日時点で昨年12月9日のFSP v3.5.0更新時、2021-10のままです。e2 studioは旧バージョンのため、2022-01へ手動にてアップグレートが必要です。

RAファミリ開発環境 GitHub状況

上記のように、RAファミリ開発環境は

・統合開発環境:e2 studio
・FSP(Flexible Software Package)とFSP版数に対応した評価ボードサンプルコード

の2種類、サンプルコードを含めると3種類が、それぞれ別タイミングでバージョンアップします。

また、ダウンロード先がGitHub内にあるため、RAファミリ開発環境の全体像と役割を把握していないと、混乱が生じます。そこで本稿で、整理します。

ちなみに、本日時点のRAファミリ開発環境GitHub状況が下図です。

GitHub上のRAファミリ開発環境のFSPとe2 studio(橙色がニュースリンク先)
GitHub上のRAファミリ開発環境のFSPとe2 studio(橙色がニュースリンク先)
GitHub上のRAファミリ評価ボードのサンプルコード
GitHub上のRAファミリ評価ボードのサンプルコード

RAファミリ開発環境 全体像と役割

「主役はFSP、e2 studioは脇役」、これがRAファミリ開発環境の役割です。

従って、FSPバージョンアップ時は、新FSP用ワークスペースを作成し、ここへ、旧FSP開発アプリケーションをコピー(インポート)、新FSPワークスペースでRAアプリケーション開発を継続するのがお勧めの開発手法です。

※HAL API生成ツールがFSPです。つまり、HAL(Hardware Abstraction Layer)より上位のRAアプリケーションは、FSP版数に依存しないのが本来の姿です。現状のFSPは、HAL API自体も変わる可能性があり「下位互換性」が未保証のため、安全策をとります。

もちろんe2 studioバージョンアップ時も別フォルダへインストールすれば、新旧両e2 studioの併用が可能です。但し、脇役e2 studioは、主役FSPほどの安全策は不要です。

例えば、前章のFSP v3.5.0インストーラのe2 studio 2021-10を手動更新(e2 studio>ヘルプ(H)>更新の検査クリック)し、2021-10へ上書きインストールした場合は、初めにインストールしたC:\Renesas\RA\e2studio_v2021-10_fsp_v3.5.0フォルダへ、e2 studio 2022-01が上書き更新されます(赤字v2021-10部分は不変)。

手動更新が成功したかを確認するには、e2 studio>ヘルプ(H)>e2 studioについて(A)をクリックし、下記ダイアログVersion:2021-10部分が、2022-01へ変わったことを目視確認します。

e2 studio 2021-10の手動2022-01更新確認方法
e2 studio 2021-10の手動2022-01更新確認方法

主役FSP更新、脇役e2 studio同一版対処

e2 studioはバージョンアップなし、FSPのみバージョンアップする場合は、GitHubからFSP_Packs_<version>.zipをダウンロードしインストールすれば、FSPのみの更新も可能です。この場合は、e2 studio内で新旧FSPが選択可能です。

この場合も、新旧FSPで開発アプリケーションのワークスペース分離が無難です。

理由は、プロジェクトのFSP設定ファイル:configuration.xmlにFSP利用版数が記述されており、旧FSPを新FSPへ変更する場合、下記ワーニングが表示されるからです。OKクリックで新FSPがアプリケーションへ適用されます。

アップグレートFSPへの変更方法とワーニング表示(FSP v3.4.0→v3.5.0の例)
アップグレートFSPへの変更方法とワーニング表示(FSP v3.4.0→v3.5.0の例)

利用FSP変更後、Generate Project Contentをクリックし新FSPでのHAL APIを再生成、当該プロジェクトクリーン、再ビルドでコンパイル成功すれば、同じアプリケーションで新旧FSPが使えます。

FSPアップグレートは、新規RAファミリ追加、新規周辺回路追加など、「旧FSP提供以外の新規追加」が主な内容ですので、基本的に旧FSP開発アプリケーションは、新FSPでもコンパイル成功するハズです。

評価ボードサンプルコードがFSP版数対応なのは、これら「新規追加の使用例」を示すためです。(もちろん、旧FSPバグ修正も含む)。

※但し、RTOS関連アップデートもFSP更新に含まれることには注意してください。RAベアメタル開発では、新旧FSPコンパイル成功確率は高いハズですが、RTOS開発時は、新FSPリリースノートに目を通し、RTOS関連の変更有無確認が必要です。

コンパイル不成功の時は、新FSP環境で当該プロジェクト再設計が必要になります。

まとめ

RAファミリ開発環境は、新旧版が全てGitHub内にあり、統合開発環境e2 studio、FSP、評価ボードサンプルコードのアップグレートがそれぞれ別タイミング、付属説明も簡易なため混乱します。混乱回避のためにRAファミリ開発環境の役割とFSP更新Tipsを示しました。

FSPが主役、e2 studioは脇役、これがRAファミリ開発環境の役割です。FSPアップグレート時は、新旧FSPワークスペースを分離し、新FSPワークスペース内で再度HAL APIを生成、生成HAL APIがそのまま旧アプリケーション上でコンパイル成功すれば、安全にFSP更新ができます。

おまけ:Windows 11アップグレート

WIndows 11アップグレート可能通知
WIndows 11アップグレート可能通知

弊社Windows 10 21H2に、Windows 11アップグレートOK通知が届きました。

弊社のPCは、IoTベンダのMCU開発ツールが主役、Windowsは脇役です。今すぐの11アップグレードはNGですので、「今はWindows 10の使用を継続します」をクリックし対処しました(なお、Windows 10 21H2大型更新方法は、コチラの関連投稿を参照)。

多くのIoT MCU開発ツールの公式推薦Windows OSは、未だWindows 10です。

公式推薦OSが、Windows 11に変った後に11化しても遅くはありません。今秋の11大型更新に向け11も進化中ですので、状況観察します。