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FreeRTOSアプリケーションテンプレート動作中
FreeRTOSアプリケーションテンプレート動作中

ARM Cortex-M4コア動作のFreeRTOSアプリケーションテンプレート第一弾、NXP)LPCXpresso54114対応版(税込2000円)を本日より発売します。概要、要点、FreeRTOSアプリケーションテンプレートとは、に関する説明資料は、コチラから無料ダウンロードできますのでご覧ください。

開発背景

IoT MCUのクラウド接続には、AWSならAmazon FreeRTOS、Microsoft AzureならAzure RTOSなどのRTOSが必要です。クラウド側からは、1つのRTOSライブラリを使って様々なMCUハードウェアを接続するための手段、これがRTOSです。

一方、IoT MCU側からは、接続先サービスに応じたRTOSライブラリ利用に加え、従来のベアメタル開発からRTOS上でのアプリケーション開発へ発展する必要もあります。IoT化に伴うこのような変化に対し、開発者個人が手間なく対応するためのツール、これが弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

MCU RTOS多様化対策のFreeRTOSアプリケーションテンプレート
MCU RTOS多様化対策のFreeRTOSアプリケーションテンプレート

目的

FreeRTOSアプリケーションテンプレートの目的は、「RTOS基礎固め」と「FreeRTOSプロトタイプ開発のスタートプロジェクトとなること」の2点です。

RTOS開発は、ベアメタル開発とは異なります。

RTOS Kernelが、開発した処理(タスクやThread)と他タスクの優先順位により、処理実行/待機を決めます。開発タスク単体の流用性は高まりますが、タスク間同期や通信に、セマフォやQueueなどのRTOS独特の手段が必要です。

IoTにより全てのモノ(MCU)がクラウドへ接続する時代の基盤は、RTOSです。

ベアメタル開発経験者が、このRTOSの早期基礎固め、Kernelと自身で開発したタスクの並列処理を理解するには、個々にRTOS手段を説明するサンプルソフトよりも、具体的なRTOSアプリケーションの方が実践的で役立ちます。

RTOSアプリケーションがあれば、優先順位を変えた時のタスク動作変化や、その他経験に基づいたRTOS実務開発で知りたい事柄を手間なく試し、新たな知見・見識を得られるからです。これらは、サンプルソフトや、説明文から得ることは困難で、実際のRTOSアプリケーションで開発者自身が試行するのがベストです。

そこで、各FreeRTOS手段を説明した弊社MCU RTOS習得ページを理解した次の段階として、最初の図に示したプロトタイプ開発着手に必須となるADC/LCD/SW/LED/VCOM処理を、NXP)LPCXpresso54114(Cortex-M4/150MHz、Flash/256KB、RAM/192KB)とBaseboard、Arduinoプロトタイプシールドに実装し、動作確認済みRTOSプロジェクトが、FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

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

※上記プロジェクトは、クラウド接続は行っておりません。RTOS基礎固めとFreeRTOSプロトタイプ開発に適すことが目的ですので、クラウド接続RTOSライブラリは未実装です。

FreeRTOSを選んだのは、現在MCU RTOSシェア1位だからです(関連投稿はコチラ)。RTOS手段は、各RTOS共通技術であるSemaphoreとQueueの2つを用いております。LPCXpresso54114のFlashやRAM使用量にはまだ十分余裕がありますので、より高度なミューテックスやイベントグループなどの手段を適用するのも容易です。

特徴

本テンプレートには、上記FreeRTOSプロジェクトと同じ動作確認済みのベアメタル開発プロジェクトも添付しております。これは、ベアメタル開発に慣れた方が、FreeRTOSとベアメタルの差分をより明確に理解し、比較や評価をするためです(比較・評価は、ご購入者ご自身で行って頂きます)。

本テンプレート付属説明資料は、主にベアメタル開発者視点から見たFreeRTOSプロジェクトを解説しており、ベアメタルプロジェクトに関する説明は、ソースコードを読めばご理解頂けるとして省略しております。

従って、FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタル開発経験者を対象といたします。ベアメタル初心者の方は、先ずは各MCUベンダCortex-M0+/M3コア対応の従来マイコンテンプレートをご購入ください。従来テンプレート付属説明資料には、ベアメタル動作の詳しい説明が付いています。

※本テンプレートのベアメタルプロジェクトは、従来テンプレートCortex-M0+/M3コアをCortex-M4コア対応へ発展させたものです。ベアメタルプロトタイプ開発着手時に適すプロジェクトです。

FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタル開発経験者が、手間なく直にRTOSとベアメタルの差を理解・実感し、かつ、IoT基盤RTOSの効率的な基礎固めができるツールです。

なお、既に従来マイコンテンプレートご購入者様は、50%OFF特典があり、税込1000円にて本FreeRTOSアプリケーションテンプレートをご購入頂けます。弊社での確認ミスを防ぐため、ご購入時に従来テンプレート購入者様である旨、お知らせください。

勿論、従来テンプレートとFreeRTOSアプリケーションテンプレートの同時購入でも、この特典は適用されます。

まとめと今後

ベアメタル開発経験者が、IoT MCUクラウド接続に必要となるRTOSの効率的な基礎固め、FreeRTOSプロトタイプ開発着手プロジェクトとして使えることを目的に、NXP)LPCXpresso54114、Baseboard、Arduinoプロトタイプシールドを使ったFreeRTOSアプリケーションテンプレートを発売しました。

本テンプレートは、Amazon FreeRTOSのHardware Independent FreeRTOS Exampleを原本としています。第1弾はNXP)LPCXpresso54114へ適用しましたが、今後、STマイクロエレクトロニクス)STM32G4やCypress)PSoC 6など他社Cortex-M4コアの対応版も開発予定です。

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ベアメタルサンプルソフトを活用したFreeRTOSユーザタスクの作り方を示します。先に結論を言うと、ベアメタルサンプルソフト無限ループ内に、RTOS待ち処理を挿入するだけでFreeRTOSタスク開発ができます。

図1 ベアメタル処理とFreeRTOSタスク処理並列多重
図1 ベアメタル処理とFreeRTOSタスク処理並列多重

RTOS環境のユーザタスク開発

IoT MCUをAWSやAzureなどのクラウドへ接続する時には、FreeRTOSやAzure RTOSなどのRTOSが必須です。クラウド接続用のRTOSタスク集が入ったライブラリを利用するからです。もちろん、このライブラリ内のタスク開発は必要ありません。

問題は、このIoT MCU RTOS環境で、ユーザタスクをどのように開発するかです。

RTOSの目的は、タスク独立性とリアルタイムなタスク並列多重、MCUハードウェア隠蔽です。ベアメタル開発経験者にとっては、ソフトウェア動作環境が著しく異なることが解ります。

RTOS開発障壁を下げるアプローチ

そこで、ベアメタル開発経験者は、先ずこのRTOS環境の理解に努めます。

セマフォやミューテックス、QueueなどRTOS特有の手段を理解します。弊社も各種FreeRTOS機能を説明しましたし、ウェビナー等でも同様です。但し、このアプローチAは、「RTOSの手段」理解が最初に来ますので、障壁が高いと感じる方も多いでしょう。筆者はそうでした。

そこで、お勧めするのは、RTOS手段をざっと読んだら、今度は逆に「RTOSの目的」からRTOS環境で、複数ユーザタスクを並列多重するアプローチBです。

複数ユーザタクスを、どうすればRTOSへ組込むかを検討するこの逆アプローチBは、Aよりもベアメタル開発経験者向きで、しかもRTOS手段は後回しですので障壁が低く感じられます。

ベアメタル処理のFreeRTOSタスク化と並列多重

2個のベアメタル処理をタスク化し、RTOSで並列多重処理する例で考えます。

・処理#1:緑LEDを、1秒毎にトグル点灯
・処理#2:赤LEDを、SW押下げでトグル点灯

ベアメタル開発経験者なら、どちらの処理も簡単に開発できます。処理概要は、最初図1の左側になります。

違いは判断内容で、処理#1が1秒経過、処理#2がSW割込みです。もちろん、両処理を並列に多重するのは、ベアメタル開発では工夫が必要です。処理#1と#2は、別々のプロジェクト、例えば2個のサンプルプロジェクトとして提供されるのが一般的です。

両処理をタスク化して組込むRTOSには、LPCXpresso54114のSDK付属generic_freertosプロジェクトを用います。“generic”が示すように、ハードウェアに依存しない汎用的なFreeRTOSプロジェクトです(generic_freertosの詳細は、コチラの関連投稿を参照してください)。

RTOSへ組込んだ時のタスク処理概要が、図1の右側です。ベアメタルとの違いは、タスク#1は、遅延処理vTaskDelayを無限ループに加えること、タスク#2は、割込みISRからの同期セマフォ受信を無限ループに加えることだけです。

両処理へ追加したのは、どちらも「RTOS処理待ち」です。この処理待ちを、RTOSが解除/待ちに切替えることで、複数タスクが並列に動作します。

RTOSは、複数タスクを処理待ち状態にし、処理待ちタスクの中から優先順位に応じて1個のタスクを実行状態に割当てます。RTOS(Kernel)自身が、順位判断や実行タスクの切替え、タスク実行状態の保存/リカバリのためスタックプッシュ/ポップ処理を行い、それらの処理間隔がTICK_RATEです。

リアルタイムでタスクを切替えるには、高速なKernel動作(AWSによると25MHz以上)と短期間のTICK_RATE(通常1ms)が必要で、タスク数に応じてスタック使用量(AWS RAM 64KB以上)は急増します。
※数値で示したAWS FreeRTOS必須条件の詳細は、コチラのハードウェア最小仕様要件を参照してください。

要するに、RTOSへユーザタスクを追加するには、ベアメタルでユーザ処理を開発し、その無限ループ内にRTOS処理待ちを加えさえすれば、RTOSユーザタスクになります。

ベアメタル開発経験者がデバッグし慣れた処理がそのままRTOSユーザタスク開発にも使え、RTOS処理待ちは、generic_freertosに実装済みのセマフォとQueueのRTOS手段だけでも、リアルタイムタスク並列多重のRTOSアプリケーション開発ができます。

まとめ

本稿は、IoT MCU RTOS環境でユーザタスクを開発し、FreeRTOSへ実装する方法として、ユーザ処理をベアメタルで開発し、無限ループ内へRTOS処理待ちを加えタスク化する方法を説明しました。

RTOS処理待ちは、セマフォとQueueのRTOS手段を理解していれば、プロトタイプ段階のFreeRTOSアプリケーションとしては十分です。ユーザ処理を自主開発する代わりに、ベンダ提供のベアメタルサンプルソフトを活用すれば、豊富なサンプル処理のFreeRTOSタスク化も簡単です。

タスク化処理を組込むRTOSには、NXP)LPCXpresso54114 SDK付属のgeneric_freertosプロジェクトを使います。このプロジェクトは、ハードウェア非依存の汎用FreeRTOSプロジェクトで、セマフォとQueueを実装済みです。そこで、これら2つのRTOS手段を手始めに理解すれば、RTOS開発障壁も低くなります。

あとがき

本稿で示したユーザタスク追加方法により開発したNXP)LPCXpresso54114(Cortex-M4/150MHz、Flash/256KB、RAM/192KB)で動作確認済みのFreeRTOSアプリケーションテンプレートは、6Eにリリース予定です(ADC入力とLCD出力、VCOM入出力処理も追加済み)。

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

このテンプレートには、FreeRTOSプロジェクトに加え、同じアプリケーション動作のベアメタルプロジェクトも添付します。ベアメタル処理に処理多重の工夫を加えた弊社Cortex-M0+/M3コア向けBaseboardテンプレートを、Cortex-M4コアへも適用したベアメタルプロジェクトです。

FreeRTOS開発とベアメタル開発の、Flash/RAM使用量差、開発難易度、消費電力差などCortex-M4コアMCU開発で実務上知りたい事柄を直接比較・評価することが可能です。また、どちらのプロジェクトも、基本的アプリケーションのテンプレート(=スタートプロジェクト)としても活用でき、プロトタイプ開発に最適です(FreeRTOS/ベアメタルの2プロジェクト+説明資料、税込2000円)。

また、STマイクロエレクトロニクス)STM32G4(Cortex-M4/170MHz、Flash/512KB、RAM/96KB)対応版も開発を予定しています。

FreeRTOSアプリケーションテンプレートを使ったプロトタイプ開発の次の段階としては、セマフォやQueue以外のミューテックスやイベントグループなどのより高度なRTOS手段の利用や、高速でRAM使用量も少ないタスク通知手段などのチューニング開発へとステップアップすることです。

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組込み開発全般に参考となる英語ブログを紹介します。特にRTOS関連記事は、内容が濃く纏まっていて、実践開発時の示唆に富んでいます。

JACOB's Blog
JACOB’s Blog

RTOSカテゴリー

組込み開発コンサルティングも行うBeningo Embedded社は、高信頼の組込みシステム構築と低コスト・短時間での製品市場投入を目標としています。この目標に沿って、複雑な組込み開発概念を、シンプルに解り易く解説しているのが、同社ブログです。

特に、RTOSカテゴリーは、FreeRTOS開発方法を整理する時、参考になります。最新RTOSの3投稿をリストアップしたのが下記です。

2021年5月4日、A Simple, Scalable RTOS Initialization Design Pattern
2020年11月19日、3 Common Challenges Facing RTOS Application Developers
2020年10月29日、5 Tips for Developing an RTOS Application Software Architecture

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

開発中の弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、「ベアメタル開発経験者が、FreeRTOS基礎固めと、基本的FreeRTOSアプリケーション着手時のテンプレートに使えること」が目的です。従って、必ずしも上記お勧めブログ指針に沿ったものではなく、むしろ、ベアメタル開発者視点でFreeRTOSを説明しています。

弊社テンプレートを活用し、FreeRTOSを理解・習得した後には、より実践的なRTOS開発者視点で効率的にアプリケーションを開発したいと思う方もいるでしょう。もちろん、弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートからスタートすることを弊社は推薦しています。

しかし、Windows上でアプリケーション開発する時は、初めからWindows作法やGUIを前提として着手するように、RTOS上でMCUアプリケーションを開発する時も、従来のベアメタル開発に固執せず、RTOSオリエンテッドな手法で着手するのも1方法です(ベアメタル経験が少ないWindows/Linux世代には、親和性が高い方法かもしれません)。

推薦ブログは、この要望を満たすRTOS手法が豊富に掲載されています。

また、上記RTOS関連3ブログを(掲載図を「見るだけでも良い」ので)読んで、ピンとこなければ、RTOS理解不足であると自己判断、つまり、リトマス試験紙としても活用できます。

問題整理と再構築能力

ベアメタル開発経験者が、RTOSを使ってMCUアプリケーション開発をするには、従来のBareMetal/Serial or Sequential動作からRTOS/Parallel動作へ、考え方を変えなければなりません。弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、この考え方を変えるための橋渡しに最適なツールです。

橋を渡りきった場所が、RTOSの世界です。RTOS環境での組込み開発問題を整理し、シンプルに解決策を示すには、知識や経験だけでなく、問題再構築能力が必要です。JACOB’S Blogをご覧ください。RTOSに限らず組込み関連全般の卓越した問題再構築能力は、掲載図を見るだけでも良く解りますよ😄。

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MCUコア動作速度設定は、一般的にプログラミングの冒頭、main関数の各種初期設定よりも前で行い方法は2つあります。

LPCXpresso54114の150MHz動作
LPCXpresso54114の150MHz動作

1つがソフトウェアで明示的にコア速度を設定する方法(左側の橙下線)、もう1つがConfig ToolsでGUIを使って設定する方法(右側の橙囲い)です。ソフトウェア設定方法は、代表的な設定値のみがAPIで提供され、GUI利用方法は、細かな速度設定や周辺回路毎へのクロック供給設定ができるなど柔軟性があります。

弊社は、アプリケーション開発後の低消費電力チューニング時にもソースコード不変で柔軟性メリットがあるConfig ToolsのGUI利用方法を推薦します。

現状の開発ツールでは、コア速度がデフォルト96MHzですので、これを150MHzへ変える方法を示します。

開発ツール

前稿最後に示したLPCXpresso54114最新データシートで発見(!)したCortex-M4コア最大動作周波数150MHzは、最新SDKの新規プロジェクト作成時でも旧データシート記載の100MHz(=96MHz)のままです。

そこで、2021年4月2日投稿の新規FreeRTOSプロジェクト作成方法のStep1~Step5に、本稿の動作クロック150MHz化をStep6として追加します。

本稿で示す開発ツールは、本日時点の最新版で以下です。

・MCUXpresso IDE v11.3.1 [Build 5262] [2021-04-02]
・LPCXpresso54114 SDK Version 2.9.0
・LPC5411x データシートRev. 2.6

これを示した理由は、今後の開発ツール更新によりデフォルト動作クロック値が150MHzへ変わる可能性もあるからです。

Config Tools利用MCU動作速度150MHz設定

新規プロジェクト作成直後のConfig Tools Clocks Diagramが下図です。コア速度のSystem clockは96MHzです。150MHzへの変更手順が以下です。

SDK新規プロジェクト作成直後のClock Diagram
SDK新規プロジェクト作成直後のClock Diagram

1. PLL Modeを、Fractional/Spread spectrumからNormalへ変更。
2. クロック選択肢をクリックすると、下図のように供給クロックのルート変更ができます。最初に示したクロックルートになるよう各選択肢やPLL設定を変更し、System clockを150MHzにします。

クロック選択肢をクリックして供給クロックルート変更
クロック選択肢をクリックして供給クロックルート変更

3. Config ToolsのUpdate Codeをクリックし、GUI変更結果をソースコードへ反映させます。

※全般的なConfig Toolsの使い方は、コチラの関連投稿を参照ください。

初期設定後に下記のようなソースコードを追加しておくと、コア動作クロックが設定値に変わったか確認ができます。

コア動作クロック速度を示すソースコード
コア動作クロック速度を示すソースコード

Config Tools MCUコア速度設定メリット

例えば、初期設定したusart通信速度115200bpsやMRT:マルチレートタイマ満了時間は、コア速度を変えたとしても不変です。各ドライバ内で、コアから独立した速度/満了時間設定を行うからです(※厳密には、設定誤差などが多少変わります)。

MCUの中で消費電力が最も大きいコアの動作速度を下げるのは、アプリケーション開発後の低電力動作チューニングに最も効果があります(※アプリケーション開発中にコア速度を下げるのは、より厳しい動作条件で開発することに相当しますのでお勧めしません)。

ソフトウェアで直接コア速度を記述した場合、この低電力化検討時に記述変更が必要になります。しかも、代表的な速度のみ設定可能なため、変更幅が大きくなる欠点があります。

一方、本稿で示したConfig Toolsによるコア速度設定の場合は、ソフトウェア設定に比べ細かな設定が可能で、記述ソフトウェアも不変です。更に、周辺回路動作も個別に制御できるため、コアだけでなく電力消費が大きい周辺回路の特定などにも役立ちます。

つまり、Config Toolsコア速度設定方法は、より効果的できめ細かいMCU低電力動作チューニングが可能でメリットが大きいと言えます。

評価ボード消費電流測定方法

評価ボードLPCXpresso54114には、0Ωチップ抵抗:JS11の取外しが必要ですが、消費電流測定用の端子:JP4が用意されています。これを使うと、前章で示したコア速度変更や周辺回路を動作停止した時の実消費電流が測れます(測定誤差ガイドラインもデータシートFig. 5に掲載中)。

LPCXpresso54114消費電流計測回路
LPCXpresso54114消費電流計測回路

あとがき

LPC5411x データシートRev. 2.6は、コア速度96MHzまでのCoreMark消費電力しか記載されておらず、しかも、96MHz以降急激な上昇傾向があるなど、気になる点もあります。

CoreMark power consumption
CoreMark power consumption

現在のSDK新規作成プロジェクトがデフォルト96MHzなのは、この辺りが妥当なクロック速度のせいかもしれません。今後のデータシート改版で状況を見たいと思います。

但し、開発中のCortex-M4 LPCXpresso54114向けFreeRTOSアプリケーションテンプレートは最高動作周波数の150MHz動作、比較用ベアメタルアプリケーションも150MHzで開発します。

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3月26日投稿で危惧した半導体供給不足が深刻化しており、MCU開発者へも影響が出始めています。コチラの記事が、具体的な数字で深刻さを表していますので抜粋し、MCU開発者個人としての対策私案を示します。

半導体不足の深刻さ

今回の半導体不足は、通常時に比べ2倍以上のリードタイム増加となって現れています。

通常時と現在(半導体不足時)のリードタイム比較
発注から納品までのリードタイム 通常 現在
MCU、ワイヤレスチップ、パワーIC、Audio Codec、

パワーモジュール、GPUチップ

8~12週 24~52
ロジックIC、アナログIC、ASIC、電源用MOSFET、受動部品 8~12週 20~24週
LCDパネル 6~8週 16~20週
CPU 8週 12~20週
メモリ、SSD 6~8週 14~15週
PCB(基板)製造 2~4週 8~12週

記事によると、特にMCUとワイヤレスチップのリードタイムが長くなっており、52週!ものもあるそうです。

表記した第1行目の部品で半導体不足が語られることが多いのですが、PCB(基板)製造へも影響しているのは、MCU/ワイヤレスチップ供給不足により、基板作り直しが生じるため、またロジックIC以下の部品も同様に製品再設計の影響と推測します。

MCU、ワイヤレスチップの供給不足がリードタイム激増の主因、それ以外の部品リードタイム増加は、主因の影響を受けた結果と言えるでしょう。

半導体供給の意味

日本では半導体は、別名「産業のコメ」と言われます。世界的には、「戦略物資」という位置付けです。半導体で米中が対立するのは、政治体制だけでなく、近い将来の経済世界地図を大きく変える可能性があるからです。

半導体製造は、国際分業化が進んできましたが、今回の半導体不足の対策として、国や企業レベルでは全て自国や自社で製造を賄う動きもでてきました。持続的経済成長には、食糧と同じように半導体の自給自足が必須だということです。

MCU開発対策案

MCU開発者個人レベルでの半導体不足対策は何か、というのが本稿の主題です。

MCU開発者は、半導体を使った顧客要求の製品化が目的です。半導体不足の対策は、「代替MCUの開発能力と製品化方法の見直し」だと思います。例えると、COVID-19収束のため、複数ワクチンの中から入手しやすいものを利用するのと同じと言えば解っていただけるかもしれません。目的と手段を分けるのです。

製品化方法の見直しとは、評価ボード活用のプロトタイプ開発により製品完成度を上げ、最終製品化直前まで制御系の載せ替えを可能とすることです。CADやIDE消費電力シミュレーションなどを活用し、プロトタイプの製品完成度を上げます。

製品完成度を上げる段階で、更なるMCU能力の必要性や低消費電力性などが判明することも多々あります。載せ替え可能な制御系でこれら要求に対応します。プロトタイプ開発着手時に、候補となる複数ベンダのMCU評価ボードを事前準備しておくのも得策です。

MCU評価ボード載せ替えプロトタイプ開発案
MCU評価ボード載せ替えプロトタイプ開発案

現在も様々なMCU新製品が発表されています。評価ボードは、これら新MCUの販売促進ツールですので、個人でも比較的安く、早く調達できます。また、ワイヤレスチップ搭載済みでArduinoなどの標準インターフェースを持つ評価ボードならば、この標準インターフェースで独自開発ハードウェアと分離した製品設計ができるので、制御系を丸ごと別ベンダの評価ボードへ載せ替えるのも容易です。

つまり、第2 MCU開発能力と評価ボードを標準制御系とし、自社追加ハードウェアと分離したプロトタイプ開発により、第1 MCU供給不足と顧客製品化の遅れを少なくすることができます。標準インターフェース分離により、PCBを含めた自社追加ハードウェア開発部分の作り直しは無くすことも可能です。少なくとも、1章で示した半導体不足主因(MCUやワイヤレスチップの不足)に対して対処できます。

複数ベンダのMCU開発を経験すると、ソフトウェアやハードウェアの作り方も変わります。

ソフトウェア担当者は、万一のMCU載せ替えに備え、共通部分と個別部分を意識してソフトウェア化するようになります。ハードウェア担当者は、自社追加ハードウェアの単体試験をソフトウェア担当者に頼らずテストプログラム(TP)で自ら行うようになり、次第にソフトウェア開発能力も身に付きます。

このプロトタイプ開発の最終製品化時は、制御系評価ボードの必須部品のみを小さくPCB化するなどが考えられます。制御系は、他の部分に比べ故障率が高く、制御系のみを載せ替え可能な製品構成にしておけば、故障停止時間の短縮も図れます。

MCU評価ボードの制御系のみを小さくPCB化するイメージ(出展:マルツ超小型なRaspberry Pi)
MCU評価ボードの制御系のみを小さくPCB化するイメージ(出展:マルツ超小型なRaspberry Pi)

最新MCU情報

上記プロトタイプ開発でも通常時は、第1 MCUで開発完了でしょう。実際に第2 MCU制御系へ載せ替えるのは、半導体供給リスクに対する最後の手段です。そこで、最新MCU情報をピックアップし、第2 MCUを選ぶ参考にします。

・2021年3月31日、ARMv9発表

Cortex-M33などのセキュリティ強化コアARMv8発表から約10年ぶりに機械学習やデジタル信号処理能力強化の最新コアARMv9をARMが発表。MCUベンダ評価ボードはこれから。

・2021年4月6日、STマイクロエレクトロニクスSTM32G0で動作するエッジAI

AIによる推論だけでなく学習も行えCortex-M0+コアでも動作する新アルゴリズムMST:Memory Saving Tree搭載のSTM32G0により既存機器のエッジAI実現可能性が拡大。販売中の弊社STM32G0xテンプレートは、コチラを参照。

・2021年4月15日、MCUXpresso54114の150MHz動作:

開発中のFreeRTOSアプリケーションテンプレートで使うMUCXpresso54114評価ボード搭載のCortex-M4コア最高動作周波数は、旧データシートでは100MHzでした。しかし、MCUXpresso SDKベアメタルサンプルプログラム診ると、追加ハードウェア無しで1.5倍の150MHz動作例が多いのに気が付きます。

LPCXpresso54114の150MHz動作
LPCXpresso54114の150MHz動作

動作クロックを上げるのは、MCU処理能力を上げる最も簡単な方法です。そこで、最新データシートRev2.6(2020年9月更新)を確認したところ、Maximum CPU frequencyが100MHzから150MHzへ変更されていました(Table 44. Revision History)。

データシートも最新情報をチェックする必要がありました。製造プロセスが新しいMCUXpresso54114やSTM32G4(170MHz)などの最新Cortex-M4コアMCUは、どれも150MHz程度の実力を持つのかもしれません。

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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。

MCU:マイコン,LPCマイコン,Kinetisマイコン,Cortex-M0+コア,Cortex-M0コア,Cortex-M3コア,Cortex-M4コアKinetis E,LPC1115,マイコンテンプレート,LPCXpresso54114,MCUXpresso IDE,MCUXpresso SDK,Ripple20

NXPは、今から約4年前の2015年12月末にFreeSacleを買収し、FreeSacleのKinetisマイコン(750品種)とNXPのLPCマイコン(350品種)は、NXP 1社から供給されるようになりました。また、別々であった統合開発環境も、新しいMCUXpresso IDEが両MCU対応となり、SDK:Software Development Kitを使ってMCUソフトウェアを開発する方法に統一されました。

本稿は、NXPのCortex-MコアMCU:LPC/Kinetisのラインナップと、新しいMCUXpresso IDE、SDK対応状況をまとめました。

NXP MCUラインナップ

NXP MCUラインナップ(出典:LPC MICROCONTROLLERS 2017-01-04)
NXP MCUラインナップ(出典:LPC MICROCONTROLLERS 2017-01-04)

上図から、おおむね青色のLPCが汎用MCU、橙色のKenitesが特定アプリケーション用途MCUに分類できそうです。

この特定用途とは、例えばKinetis Eシリーズならば、昨今3.3V以下で動作するMCUコアが多いなか、白物家電や産業用途向けに、過酷な電気ノイズ環境下でも高い信頼性と堅牢性(Robust)を維持できる5V動作Cortex-M0+コアMCUを指します(NXPサイトにはCortex-M4コア版もあります)。

Kinetis Eシリーズのコア動作電圧は、2.7~5Vです。関連投稿:MCUの5V耐圧ピンで示したピン毎の5V耐性がMCUコアに備わっており、更に耐ノイズ性も高められているため、タッチパネル操作や多くの5Vデバイス制御に対して使いやすいCortex-M0+/M4シリーズと言えます。

5V動作でタッチパネル付きのKenites KE02 40MHz評価ボード(出典:NXPサイト)
5V動作でタッチパネル付きのKenites KE02 40MHz評価ボード(出典:NXPサイト)

LPC/Kinetis MCUのMCUXpresso IDE、SDK対応

新しくなった統合開発環境MCUXpresso IDEのLPC/ Kenites対応表が、NXP Communityに掲載中です。

この表は毎年更新され、NXPから供給中の全MCU/Application ProcessorのMCUXpresso IDE、SDK対応状況と対応予定まで解るとても役立つ資料です。この表のProduct Familyにフィルタをかけ、Recommended Software欄とMCUXpresso Software and Tools欄を抜粋したのが下表です。

MCUXpresso Supported Devices Table (May 2020より抜粋)
MCUXpresso Supported Devices Table (May 2020より抜粋)

Kenites KE02: 40MHzは、弊社Kinetis Eテンプレートで使ったKinetis Eシリーズマイコンです。2015年のテンプレート開発当時は、旧FreeSacleから供給され、統合開発環境もKinetis Design Studio:KDSとAPI生成ツール:Processor Expertを使いました。現在は、MCUXpresso IDEとSDKへ変わっています。

LPC1100は、古くからあるNXP汎用MCUで、弊社LPC110xテンプレートも提供中です。LPC1100は、MCUXpresso IDEで開発はできますがSDK対応予定は無く(Not Planned)、従来のLPC Open開発が推薦されています。

また、Kinetis KL05: 48MHzは、MCUXpresso IDEとSDK対応予定が無く、旧FreeSacleのKDS開発を推薦しています。

Not Planned 推測

MCUXpresso Software and Tools欄のNot Plannedの意味を考えます。

いずれのMCUも発売後10年~15年程度の安定供給をNXPが保証するため、直ぐにDiscontinueになることはありません。しかし、FreeSacle とNXPの2社統合で当然ながらダブって供給されるMCU品種もある訳で、供給側にとっては1品種へマージしたいでしょう。

この対象は、旧2社それぞれの汎用品種が多く該当すると思われ、その結果が表に現れたと考えます。

つまり、LPC1100やKinetis KL05は、恐らくダブった品種で、新しいMCU開発環境は使わずにそのまま旧開発環境で継続開発ができますが、近い将来Discontinueの可能性が高いと思います。Not Plannedは、これを暗示的に示していると推測します。

もちろん、新発売MCUや生き残った品種は、どれもMCUXpresso IDEとSDKに対応済み(Available)です。最初のMCUラインナップ図を振り返ると、多くのKinetisシリーズは、特殊用途MCU:Application Specific Familiesとして生き残り、Kinetis K/Lシリーズは、汎用MCU:General Purpose Families内で生き残ったのだと思います。

但し、生き残った品種でもデバイスによってはDiscontinueの可能性があり、個別デバイスの確認は、Community掲載表を参照した方が良いでしょう。

弊社マイコンテンプレート対応

主に汎用MCU向けの弊社マイコンテンプレートも、(推測した)NXPと同様の対応にしたいと考えています。つまり、Kinetis Eテンプレートは、最新開発環境MCUXpresso IDEとSDK利用版へ改版、LPC110xテンプレートは、販売中止といたします。

Kinetis E テンプレート改版は、直ぐに着手いたします。Kinetis Eテンプレートご購入者様で購入後1年未満の方は、この改版版を無償提供いたしますのでお待ちください。

LPC110xテンプレートは、1年以上新規ご購入者様がいらっしゃりませんので、無償アップグレード対象者様はございません。既にLPC110xテンプレートご購入者様には、申し訳ございません。別テンプレート50%割引購入特典のご利用をお待ちしております。

Ripple20

前投稿の2~3章で記載した、半導体製品へのサイバー攻撃があり無対策の場合、全製品が使えなくなる実例が発生しそうです。

数億台ものIoT機器や産業制御機器に実装済みのTreck社提供TCP/IPライブラリに「Ripple20」という名の脆弱性(最大値10の危険度評価9~10)が発見され、対策にはライブラリアップデートが必要ですが、できない場合は機器をネットワークから切り離すことが最低限必要になりそうです。
※TCP/IPライブラリは、有線/無線LANプロトコル実装用ソフトウェアライブラリです。

この脆弱性がハッカーに悪用されると、プリンタなどの機器からでも情報が外部流出します。Ripple20は、IoT MCUにセキュア・ファームウェア更新やOTA:Over-The-Air実装を要件とする先例になるかもしれません。

MCUのセキュア・ファームウェア更新は、関連投稿:STM32G0/G4のRoot of Trustをご覧いただくと面倒な更新方法、2面メモリ必要性などがお判り頂けると思います。OTAも関連投稿:Amazon、IoTマイコンへFreeRTOS提供の2章に簡単ですが記載しております。

IoT MCUへ、ソフトウェアだけでなくCortex-Mコアにも更なるセキュリティ対応の影響を与えそうなRipple20です。

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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。

MCU:マイコン,LPCマイコン,Kinetisマイコン,Cortex-M4コアARMマイコン,IoTマイコン,MCUXpresso,FreeRTOS,LPCXpresso54114,event,queue,freertos_generic

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。

MCU:マイコン,LPCマイコン,Kinetisマイコン,Cortex-M4コアARMマイコン,IoTマイコン,MCUXpresso,semaphore,mutex,FreeRTOS,LPCXpresso54114,ランデブーモデル

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。