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![[Basic 7] OS の基本 / 割り込み / システム コール / メモリ管理](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/basic-07-180228134341-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
知ってるようで知らない組み込みソフトウェアの世界
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- 2. 自己紹介 ● 千谷裕志 (ChiyaYuji) ● 愛媛生まれ ● 高知工科大学卒 ● 組み込みツールベンダーで受託開発 ● 家庭用医療機器メーカー ● 防災用計測機器メーカー←いまここ よさこいはライフワーク 2
- 3. アジェンダ ● ゴール: 組込みソフトウェア開発がどのように行われるかを知る ●組込みソフトウェアとは ● ハードウェアの話 ● ソフトウェアの話 ● 開発するときの話 3
- 4. ● 組込みソフトウェアとは ● ハードウェアの話 ●ソフトウェアの話 ● 開発するときの話 4
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- 6. 何がそんなに特別なのか ● ソフトウェア要因 ○ 不具合発生時に想定される被害が大きい（車や飛行機や医療機器） ○出荷後のアップデートが大変（現地に行く OR 回収） ● 制限、制約が多い ○ 様々な使用環境を考慮する必要がある（温度、湿度、振動、経年劣化） ○ 内外から発生するノイズを考慮する必要がある（雷や IH、電子レンジ） ○ 動作周波数、メモリ（量産コストが気になる） ○ 時間（期待する時間以内に処理が完了しないと重大な問題がありうる） ○ 電力（電池で1年くらい動いてくれないと大変めんどくさい） 6
- 7. ● 組込みソフトウェアとは ● ハードウェアの話 ●ソフトウェアの話 ● 開発するときの話 7
- 8. 主要なメーカー ● ARM ● STmicro ● NXP ● TI ● microchip ● infeneon ● Renesas ● TOSHIBA ● LAPIS http://blog.knak.jp/2018/09/iot.html 8 https://pc.watch.impress.co.jp/docs/ column/semicon/316228.html
- 9. ペリフェラル ● PLL ● GPIO ●タイマー, カウンタ ● 割り込み ● ウォッチドッグ ● AD, DA ● UART, I2C, SPI, USB, Ethernet ● Video/Audio ● MMU, MPU ● DMA, DTC 9 http://akizukidenshi.com/download/ds/microchip/ atmega328.pdf
- 10. レジスタ ● General PurposeRegister ○ 機械語はこの領域を使って計算する ○ どのレジスタを使うかはコンパイラ次第 ○ 関数の戻り値はだいたい R0 ● Status Register ○ 機械語の実行結果を保持する領域 ○ 桁あふれ、比較が一致、結果がマイナス、結果がゼロ ● Program Counter ○ 実行する機械語のアドレス ● Stack Pointer ○ 関数呼び出し時に汎用レジスタや戻り先を保持する領域 ● Special Function Register ○ ペリフェラルを制御するためのレジスタ 10http://akizukidenshi.com/download/ds/microchip/atmega328.pdf
- 11. メモリマップドI/O ● ペリフェラルを制御するレジ スタもメモリ上に配置する ● ついでに言えばRAMと ROMもどこかのアドレスに 配置している ●MPUが無いマイコンだと うっかり書き換えたりして暴 走する ● PCが変な値になっても暴走 する 11 https://www.aps-web.jp/academy/cm/19/
- 12. e.g. UARTのレジスタ ● それぞれのペリフェラルごとに、機 能を実現するためのレジスタが用 意されている ●設定用 ● 送受信用 ● ステータス取得用 12 http://www.picfun.com/f1/f04.html
- 13. リセット ● POR（Power OnReset） ● 外部リセット （リセットピンに信号入力） ● ウォッチドッグタイマ ● ソフトウェアリセット ● 低消費電力管理リセット 13 https://ednjapan.com/edn/articles/1906/28/news009.html
- 14. ベクタテーブル ● 外部入力やタイマーなどの割り込み が成立すると特定アドレスの命令が 実行される ● SFRで割り込み有効にするかどうか を決めることができる ●通常はここでJMPやCALLする ● スタックオーバーフローしたときは不 正命令例外がよくでる ● mail()の前はリセット割り込み 14 http://akizukidenshi.com/download/ds/microchip/atme ga328.pdf
- 15. アセンブラ ● コアが異なると 機械語が異なる ● ARMは全部一 緒なのでコンパ イラ等は使い回 せるがペリフェラ ルは異なる ●コンパイラのバ グはここで発生 https://www.researchgate.net/figure/Intel-vs-ARM-assembly-from-a-defcon-tal k_fig1_320952677 15
- 16. 電源 ● マイコンでよく使うのは3.3Vと5V ● 基本的に3.3Vの端子に5Vを入れると壊れる ○例外的に高い電圧を入れても大丈夫なトレラントの端子もある ○ マイコンの絶対最大定格をよく見よう 超えると壊れる ○ レベル変換ICを使ったり抵抗で分圧したりする ● AC100VからDCに変換する手段 ○ 三端子レギュレータ ○ DCDCコンバーター ○ どちらも出力電流をよく見よう 超えると過熱して壊れる ● 突入電流 ○ 電源ONしたときに電流がたくさん流れる機器がある ○ 一時的に電圧が低下する場合がある 16
- 17. 回路 ● マイコン、IC、周辺部品等をどう繋ぐか示す図 を回路図という ● ハードウェア屋さんは各データシートのリファ レンス回路を見ながら回路図を書く ○その後パターン設計 ○ 基板ができたら部品を手実装（量産時は外注） ● ファーム屋さんは基板と回路図を渡される ○ まずは電圧（ちゃんと出てるか安定してるか） ○ リセット信号が解除されてるか ○ デバッガの信号確認 ○ 各ペリフェラル（特に UART）信号確認 ○ センサー、ICとの接続確認 17 https://macrofab.com/blog/key-parts-of-an- arduino-how-to-integrate-the-arduino-platf orm-into-your-product/
- 18. 通信 ● UART ○ 機器間の通信やデバッグによく使う RS-232Cとは電圧が異なるので MAX3232を使って変換する 場合が多い クロック精度によっては同期ずれる 1対1 遅い ~115.2kbpsあたり ● I2C ○ データ量の小さい時によく使う バス接続可 3bitのアドレスで区別 遅い ~1Mbps ● SPI ○ データ量が大きい時によく使う バス接続可 SS信号で区別 早い ~4Mbps ● USB ○ プロトコルスタックが大変なのでミドルウェアを買う ● Ethernet ○ プロトコルスタックが大変なのでミドルウェアを買う ○ 消費電流多いのであまり使いたくない 18
- 19. センサー ● あらゆるセンサーの計測値は電圧に変換される ● 温度センサ ○例えば 温度低い=電圧低い 温度高い =電圧高い ● 気圧センサ ○ 同じ ● 電流センサ ○ 測定用抵抗両端の電圧を測る（電流 =電圧/抵抗) ● 電圧を計測するのはADC ○ まずはペリフェラルを検討する ○ 仕様を満たせないなら外付け ADCをI2Cなどで使う ○ 電圧から物理量への変換までしてほしいときはセンサモジュールを使う 19
- 20. ● 組込みソフトウェアとは ● ハードウェアの話 ●ソフトウェアの話 ● 開発するときの話 20
- 21. 開発環境 ● マイコン毎にコンパイラ、IDEが異なる ● デバッグ、ダウンロードにも専用機材が必要 ●ARMは沢山選べてありがたい https://www.uctec.com/2013/11/527/ https://www.renesas.com/jp/ja/products/software-tools/tool s/ide/e2studio.html 21
- 22. リアルタイムOS(RTOS) ● リアルタイム≠即時 ● 最低応答時間が保証されている ●タスクという単位でプログラムを実行する ● タスク間通信はOSの提供する関数で行う ○ μITORNの場合 ○ イベントフラグ(set_flg, wai_flg) ○ メッセージボックス(snd_mbx, rcv_mbx) ○ セマフォ(sig_sem, wai_sem) ○ 等 ● μITORN, T-Kernel, ThreadX, FreeRTOS, VxWorks ● 機能とコストによってはOSを使用しない場合もある 22 http://www.mispo.co.jp/products/NORTi/Pro/
- 23. ミドルウェア ● OSには最低限の機能しかない ○ ファイルシステム ○TCP/IP ○ USB Host, Device ○ GUI ○ 等 ● 目的に合わせてミドルウェアを用意する ● 数十万～数百万 https://www.cente.jp/product/cente-middle/filesystem/filesystem/ 23
- 24. 最適化とプリプロセッサ ● 最適化するときはvolatile修飾子必須 ○ 最適化かけるとデバッガで追いにくいので開発時は最適化OFF ● コンパイラの独自拡張が多い ○ 以下のようなものが多い ● SFRにアクセスするためのマクロ ○ P4.3 = 1 のように使える ● #pragma inline ○ 対象関数をcallではなく呼び出し元に展開する ● #pragma interrupt ○ 対象関数を割り込みベクタに指定する 24
- 25. ポーリングと割り込み ● ポーリングはwhile(1)でずっと待つ ● 割り込みは割り込みベクターでイベント発生時だけ動く ●プログラム実行時間は消費電流に直結するのでポーリングは避けたい 25 https://www.renesas.com/jp/ja/support/techn ical-resources/engineer-school/mcu-progra mming-peripherals-04-interrupts.html
- 26. ● 組込みソフトウェアとは ● ハードウェアの話 ●ソフトウェアの話 ● 開発するときの話 26
- 27. 機能とコスト ● 動作周波数, RAM,ROM ○ いずれも大きいマイコンは高価 ● 高価マイコンのほうが高機能 ○ 破壊したときのショックも大きい ● (余談)FPGAのお値段は桁違い 27 周波数 RAM ROM 単価 調達 RL78 (R5F100L EAFB) 32MHz 4KB 64KB ￥290 価格 MOQ 長期供給 急な調達 支払条件 サポート RX621 (R5F56218 BDFP) 100MH z 96KB 512KB ￥950 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06146/ http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-04713/ https://www.marutsu.co.jp/GoodsListNavi.jsp?category=190004&ids=0&page=1&perpage=5 0&shopNo=3&sort_order=expensive_order
- 28. 制限、制約 ● 消費電力 ○ 屋外では商用電源を確保するのが難しい ○ソーラーパネルはコストもかかるし日照が必要 ○ 電池に頼らざるを得ない場合も多いけど交換が手間 ● 時間 ○ 期待した時間内に動作しないと人命に影響を与える機器もある ○ ATM、電力、乗り物、医療機器 ● 耐水性 ○ 水没、結露しても動作しなければならない機器もある ● マイコンメーカーはCのコンパイラしか提供しない ○ C++がある場合もあるが 28
- 29. 信頼性 ● 温度 ○ エンジンECUは100℃を超える ○ソーラーパネルのために日向に設置すると温度が上がる ○ 温度が上がると膨張し、下がると縮小するので繰り返すと破損する ○ 寒冷地では氷点下になる ○ コンデンサや電池は極端な温度に弱い ○ センサーも温度によって特性が変わる ● 振動 ○ 車や工作機械は振動しっぱなし ● EMC ○ ノイズを受けても誤動作しないこと ○ 機器からノイズも出さないこと 29http://www.jasa.or.jp/TOP/offer/automotive/
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- 31. デバッグ ● 不具合箇所を特定するのが手間 ○ IC、マイコン ○回路 ○ 電気信号 ● 用途に応じた測定器を使う ○ マルチメータ ○ オシロスコープ ○ ロジック・アナライザ ○ プロトコル・アナライザ ● 電気試験 ○ 雷サージ ○ 静電気 ○ 恒温槽 ○ EMC 31
- 32. まとめ ● 組み込みは物理的な制約に振り回される ● プアな環境で頑張るしか無い場合もある ●謎の不具合に悩まされる事もある ● 自分の関わった製品が世界中で役に立つと嬉しい 32
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