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20211002 stm32 cube halとtoppes
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- 3. 自己紹介 堀江誠一 2001,2~TOPPERS/JSP for Blackfin https://ja.osdn.net/projects/toppersjsp4bf/ 2010~ TOPPERS/ASP for LPC https://ja.osdn.net/projects/toppersasp4lpc/ 2016~ Unzen Audio Framework https://os.mbed.com/users/shorie/notebook/unzen_audio_framework/ 2017~ Murasaki Class Library https://github.com/suikan4github/murasaki 2021~ Kaiten-Yaki Linux Full Disk Encryption Installer https://github.com/suikan4github/kaiten-yaki
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- 5. TOPPERS/JSP for Blackfin 技術的興味から2001年頃よりTOPPERS/JSPのカーネルの研究を始め る 2004年にTOPPERS/JSP for Blackfinが実機で動き始める その後、Analog Devices 純正ツールからGCCに移植、Source Forgeに 公開
- 6. やりたかったこと もともとDSPの上でオーディオ処理をする際、割り込みハンドラの中 で信号処理をするのが嫌だった 「RTOSがあればもっと『きれい』に書けるのに」 RTOSの原理なら高校生のころから知っていた uITRONのオープン実装としてTOPPERSプロジェクトがあることを知る オーディオ信号処理 2002年：2191空挺団「MCMを使う」（割り込み駆動） http://bfin.sakura.ne.jp/oldsite/2191/program/mcm/mcm_01.shtml 2011年：まんがで読むTalkthrough https://www.pixiv.net/artworks/17722404
- 7. SDRをDSPで書けば面白そう もともとラジオ少年なんだし 書く以上はきれいに作りたい 綺麗じゃなくてもいいならSDRを作ったことはある 「オーディオ信号処理で学ぶDSP」 インターフェース誌2007年1月号より連載 https://www.cqpub.co.jp/interface/contents/2008/JA/200802.htm
- 8. TOPPERS/JSP for Blackfinの挫折 動作したはいいが、ペリフェラルの操作が面倒 ペリフェラルをClassに包んで遮蔽すればいいのでは？ RTOSを積んだのだからC++でさらに生産性をあげたい Classの中に同期や通信を遮蔽すれば、アプリケーション記述が楽になる ２つの障壁 CRTをTOPPERS/JSP用に書いたので、C++用に移行するときに躓いた JSPには動的リソース生成機能がないため、Classの中にセマフォの生成・削 除を遮蔽できなかった。 結局、あまり『きれい』な実装にならない その後フェードアウト
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- 10. マイコンの性能が上がってきたのでSDRをき れいに作ることができる気がしてきた マイコンによるSDR実装者は複数いた 2010年か11年のMTMで中本伸一氏がデモ 2015年のインターフェース誌に高橋知宏氏による特集 海外でも多くの実験が行われており、特別に珍しい技術ではなくなっ ている マイコンでも「きれい」に実装できる気がしてきた
- 11. TOPPERS/ASP for LPC(2010~) TOPPERS/ASPをNXPのLPCマイコンに 実装 CORTEX/M3,M4F ユニバーサル基板にLPC1788 ExperssoとCODECを積んで実験 TOPPERS/JSPとCodeRed IDEのマネー ジド・プロジェクトの食い合わせが悪 い CMSISはARMがいうほどよくなかった フェードアウト
- 12. 雲仙フレームワーク (2016~) mbedの手軽さが面白かったので、 オーディオ・フレームワークを実装 してみた 割り込みベース シンセサイザーを実装 macaroomがライブで使用した やはりアプリケーションはきれいに 書けない そもそもmbedがRTOSではないので
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- 14. 今度こそきれいに書きたい 当初「箸にも棒にもかからない」と思っていたSTM32 CubeHALが、ま あまあ使えそうに思えた。 CubeMXがミドルウェアまでコード生成してくれる FreeRTOS STM32独自のHAL これらの初期化コード この上に乗っかればうまくいくのでは
- 15. 紫の設計指針 アプリケーションが使用するすべ てのIO HAL関数をクラスでくるむ。 IO関数はすべて同期IO。 I2CやSPIのような複数のタスクが 呼びうる関数は、クラス内部で排 他処理する。 排他や同期に必要なセマフォはク ラス内部で生成・削除する。 ASSERT/SYSLOGの提供 STM32 MCU CubeHAL FREERTOS Murasaki Application
- 16. クラス化の恩恵 遮蔽 セマフォなどの資源の生成・削除・使用がすべて遮蔽される 特にセマフォの初期状態に気を使わなくてよい 入力補完機能の活用 関数のスコープが細かくなるので、IDEの入力補完を活用できる メソッド関数の引数を強く型付けすることで、入力補完を活用できる TDDが容易に I2CやSPIはすべて抽象的な型から派生している。したがって、同じ型から派 生するスタブ・クラスを容易に作ることが出来る。
- 17. 可能な限り広く対応する 信号処理だけでなく、ほかの用 途にも使いたい コンソールパネル処理など なるべく多くのSTM32に広く対応 することで柔軟性を維持する CORTEX-M0, M0+ CORTEX-M3, M4F CORTEX-M7
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- 19. TOPPERS/ASPの良いところ APIの直交性(ITRON4) APIの仕様の厳密さ(ITRON4) パラメタ・バリデーションがしっかりしている Syslog完備 仕様も実装も考え抜かれている
- 20. 他のエコシステムとの不整合 マネージド・ビルドなシステムとのすり合わせが面倒 TOPPERSとして一つの世界を作っていて、手軽に組み込むことが出来なかっ た 利用者の教育は手厚かったが、実装者の教育が手薄だった。 そのため、他のエコシステムへの合わせこみの知見が蓄積されなかった印 象 Syslogが完備していた一方で、そのためにシリアルポート実装がカー ネル実装とべったりくっついていた CRTと割り込みハンドラを独自に作ることが前提になっていた。その ため、CPUメーカーのコードジェネレータと相性が悪い。
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- 22. 一度動き出せば生産性は高い FREERTOSを使うとTOPPERS/ASPの良さが身に染みる 最初からSyslogがあるのでデバッグが容易 紫はSyslogの構築が終わるまでデバッグが大変だった コンテキスト識別APIがある FREERTOSにはなかった！（今はある模様） つまりFREERTOS内部ではコンテキストのバリデーションを行っていなかった 一方で、FREERTOSもタスク・コンテキストと非タスク・コンテキストでは使えるAPIに差が ある FREERTOSでは独自実装せざるを得なかった ISRがITRON独自なので、ISRから出るときに必ずタスク・スイッチが必要かど うかチェックしてくれる FREERTOSはISR出口で明示的に専用APIを呼ぶ必要がある
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- 24. CubeHALの良いところ STM32 HALの機能をかなりの割合でカバーしている おおむね統一された設計指針 シリーズ間(F09x, F4xx, F7xx, H7xx, G4xx,L07x,… )の互換性 ポーリング、割り込み、DMA転送によるIOがそろっている Assertionによるパラメータ検証
- 25. CubeHALの問題点 機能カバレージが不十分 UARTRXのタイムアウトを扱う方法がない シリーズ間APIの不統一 GPIO割り込みコールバック名の相違 設計指針の甘さ シリーズごとにインクルードファイル名が異 なる 不明瞭なドキュメント I2C通信APIの不明瞭さ 特に初期化の方法がわからない ペリフェラルの詳細を知っていなければ使 えない パラメータが型付けされていない 膨大なMACROの中から適切な名前を選ば なければならない 設計者の組み込みへの無理解 I2CでNAK中断した際のリカバリができない GPIO割り込み入力のマスクができない(!!) 品質の低さ パラメータ検証の不徹底 バグのレグレッション テストカバレッジの低さ 報告されたバグへの対応の遅さ コミュニティの雰囲気が悪い 罵詈雑言やマウントが幅を利かせている STM担当者によるレスポンスは遅い GitHubにレポジトリがあるのに、バグ報告 は雰囲気の悪いコミュニティにすることを強 いられる
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- 27. 紫によるCubeHAL利用 紫をCubeHALで使うには以下の設定が必要になる main.cにInitPlatform()呼び出しを差し込む main.cにExecPlatform()呼び出しを差し込む 以上の関数プロトタイプを読み込むために、インクルードファイルをmain.cに挿入する HALのASSERTIONを紫で取り扱えるようcustomAssertFailed()呼び出しを差し込む Startup/startup_stm32*.sのDefault_Handlerに、CustomDefaultHandlerへの呼び出しを差し 込む Src/stm32*_it.cにCustomeDefaultHandler()への呼び出しを差し込む 以上の関数プロトタイプを読み込むために、murasaki_platform.hppをインクルードさせる シリーズごとに異なるヘッダファイル名を吸収するために、統合ヘッダファイル murasaki_include_stub.hを作る 実アプリでCubeHALを使おうとすると、このくらい手がかかる。 Lチカならもっと簡単
- 28. 設定スクリプト 前述の設定を毎回手作業で行うことは非現実的なので、紫プロジェ クトはinstallスクリプトを提供している 名前が良くない。 setupスクリプトの方が良かった。 225行のシェルスクリプト 二重セットアップ回避機能付き https://github.com/suikan4github/murasaki/blob/master/install
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- 31. TOPPERS/ASPにCubeHALを埋め込む TOPPERS/ASPのディレクトリ構造 の中に、CubeHALをコピーする CubeMXに生成させたコードを、 手作業でTOPPERS/ASPのスレッ ドにコピーする 初期化 割り込みハンドラ スクラッチで初期化コードを書く ことは推奨しない どうせユーザーがついていけなく なる TOPPERS/ASP CRT TOPPERS/ASP ISR CubeHAL Application TOPPERS/ASP
- 32. 利点 TOPPERS/ASPをそのまま使える 欠点 CubeMXに生成させたコードを、 手作業でTOPPERS/ASPのスレッ ドにコピーする 初期化 割り込みハンドラ ピン配置やペリフェラルを修正 するたびに、手作業のコピーが 必要になる TOPPERS/ASPにCubeHALを埋め込む方法の 得失
- 33. CubeHAL/CubeMXにTOPPERS/ASPを埋め込 む CubeMXが生成したディレクトリ の中にTOPPERS/ASPを埋め込む。 TOPPES/ASPカーネルは、main() からkernel_start()を呼ぶ。 CubeMXが生成するISRを使うた め、割り込みの出入口処理がで きなくなる。 CubeMX CRT CubeMX ISR CubeHAL Application TOPPERS/ASP
- 34. 通常のASPカーネル dispatchは関数として呼ばれる。 割り込みハンドラは出入口処理 を持つ 改造案 dispatchは割り込みとして処理 する 割り込みの入口処理はしない 割り込みの出口処理はdspatch の遅延割り込み呼び出しに変 更する 以上はARMの技術文書に示さ れている方法 FREERTOSもこの方式 ASPカーネルの改造案
- 35. 利点 CubeMXが生成するCRTとISRを そのまま使える。 ISRはTOPPERS/ASPコンフィギュ レーターの管理外になるので、 コンフィギュレーションの回数が 減る 動的生成を使えば、タスクやセ マフォの増減もコンフィギュレー ション不要になる 欠点 TOPPERS/ASPカーネルを書き換 えることが必要になる。 カーネル・コンフィギュレーション を変えるたびに、TOPPERS/ASP をコピーする必要がある main()の然るべき場所から kernel_start()を呼ぶ必要がある ISRの然るべき場所から出口処 理を呼ぶ必要がある 改造案の得失
- 36. CubeMX生成コードの取り扱い CubeMXはユーザー・コードを保 存する機能を持つ コード再生成時も変更されない main()関数の赤枠の内側に start_kernel();を書けば、保存され る。
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- 39. FREERTOSがあるのにTOPPERSを使う意義 は？ FREERTOSの利点 CubeMXのコンフィギュレータに一体化されている気安がある FRERTOSの欠点 FREERTOSは実装が雑なので、手懐けるまでに時間がかかる。 設計が緻密さに欠けるので、不安が残る。 産業用途にはSAFERTOSが推奨されていたりする。
- 40. TOPPERS/ASPの難しさ 少なくとも10年前は、「TOPPERS/ASPは世界のエコシステムから外れ ている」という認識に欠けていた よそ様のエコシステムに挟み込むことをよく考えていないOS。 手を加えればよそ様のエコシステムに組み込めるが、TOPPERS/ASPの良さ が少しづつ失われる。 ビルド済みライブラリとヘッダー・ファイルををプロジェクトにポンと放 り込んで使えるようになれば、心理障壁は下がると思う。
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