Open the door of embedded systems to IoT! mruby on LEGO Mindstorms (R)

Editor's Notes

• #2 "IoT" : Internet of Things (日常的ないろいろなモノをインターネットでつなげる技術)
• #3 アジェンダ 自己紹介 LEGO Mindstormsとは 組み込みシステムにmrubyを使うことができるか？ 初代　Mindstorms RCX の光センサーを例に組み込みシステムのプログラムに求められる能力を説明 今回、三代目 Mindstorms EV3 をターゲットにmruby-ev3devのAPI実装例 まとめ mrubyが向く分野、向かない分野 RUBY JINJA のデモ
• #4 長野県松本市からやってきました。 某プリンターメーカーにてプログラマーとして働いています。
• #5 『士農工商・メカ・エレキ・ソフト』 メーカーのソフトウェア開発者たちが自分たちのことを卑下した言葉です。 お客さんの手元に届くまでのリードタイムが一番長いのがメカ（機械）、次がエレキ（電気）、もっとも短いのがソフト。この言葉には色々な意味が込められていますが、製品開発の一番下流にソフトウェア開発が位置していることも理由の一つに挙げられるでしょう。 たとえば、ハードウェアのボタンの色を一旦図面が承認されたあとで変えるなんて言語道断でしょう。LEDの色を変更するのも部品発注後でははお手上げ。でしかしソフトウェアで実現するボタンの色であれば、お客さんの手元に届く前日でも仕様変更可です。 なので製品開発期間に終盤でみつかった不具合の尻拭いをソフトウェア開発者が担わされる、というような悲哀をしばしば耳にするとかしないとか。 このテーマが後半、ハードウェアとソフトウェアの関係を説明の伏線となっていますが、ひとまず日頃の愚痴はここまでにしておきます。
• #6 レゴを皆さん知っていますか？ みなさんの中には子供の頃にレゴブロック(LEGO Brick)で遊んだことのあるかたも大勢いると思います。 LEGO Mindstormsは、デンマークのレゴ社が発売している知育玩具製品です。 ブロック(Brick)やビーム(Beam)、シャフト(Shaft)と呼ばれる部品を組み合わせて思い思いの作品を作ることができます。 そして、その作品にモーターやセンサーを組み合わせて、さらにプログラムを組み込んでで様々な動きをするロボットを作ることができます。 右下の写真は私がMindstorms EV3で制作したLine Traceロボットです。 写真ではわかりにくいですが、左右の黒い部分がゴムでできたキャタピラーです。このキャタピラーで前後左右に動きます。 また、このロボットには黒い線を検知するセンサーがついていて、プログラムの働きによりリモコンではなく自律的に黒い線を辿って進むことができます。
• #7 Mindstorms製品の歴史をたどります。 一番左の列がマインドストームの初代製品 Mindstorms RCX です。1998年に発売されました。 一番右の列が昨年発売された三代目となる最新製品 Mindstorms EV3 です。昨年2013年の秋に発売されました。 初代 iPhone は2007年の発売ですがずいぶん昔に現役を引退していますね。しかし２代目のNXTはまだまだ現役で多くの学校や企業で教育用に活躍していますし、初代のRCXだってまだまだ現役でつかっているところがあります。 ドッグイヤーと呼ばれるIT分野の製品としては長い商品サイクルをもった製品です。 それでも、初代の製品から１５年でCPUのクロック(Clock)性能は２０倍弱。RAMのサイズに至っては５００倍強に性能アップしています。 ちなみに初代RCXに乗っていたCPUは当時の日立製作所（現在のルネサスエレクトロニクス社）の日本製マイコンでした。 そして１５年後の現在は日本の半導体メーカーに過去の勢いが失われ海外製品が席巻していて時代を感じます。 ３代目 EV3 に搭載されているマイコンはARMアーキテクチャ、Texas Insturuments社(TI社)製です。
• #8 標準ファームウェア、製品にあらかじめ組み込まれて出荷されているファームウェアのアーキテクチャです。 「ファームウェア」とはデジタルカメラなどの機器にあらかじめ搭載されているプログラムのことをいいます。 "firm"というのは堅い、堅牢なという意味ですから、堅いソフトウェアという、ちょっとアンビバレントな用語です。でもハードウェアと密接な関係を持つソフトウェアということで堅い"firm"という呼び名は言いえて妙かもしれません。 EV3本体に搭載されている標準ファームウェアにはLinuxが搭載されています。 Linux上でVM(Virtual Machine)が常駐し、ユーザーがPCで作成したプログラムを実行したり、スマホなどから送られていくるリモコン命令(Direct Command)を解釈して実行します。 Mindstorms EV3の製品に組み込まれているファームウェア(Firmware)はGithubにてGPL(Gnu General Public License)で公開されています。 システムプログラムの一部も、このVMが解釈できるバイトコード(Bytecode)で記述されています。 製品のファームウェアがGithubで公開されるようになった、という部分にも時代を感じます。 初代のRCXではファームウェアもハードウェアも非公開でしたが、ハッカーたちが解析して自由にソフトウェアを公開し製品の人気に一役買いました。 そのことを教訓にしたレゴ社は二代目のNXTではファームウェアのソースコードとハードウェアの回路図を公開しハッカーが自由な開発ができるように後押ししました。 そして三代目ではgithubでファームウェアのバージョンアップ過程も公開するようになりました。
• #9 標準ファームウェアは非常に高機能で優れています。パソコンなしでEV3本体だけでも簡単なプログラムを作成できます。 しかし標準ファームウェアは非常にリソース(Computer resource)食らいです。EV3本体に載っているメモリを使い尽くします。 システム改変して自由にソフトウェアを入れ替えるためには、この標準ファームウェアが邪魔になります。 そこで標準ファームウェアを開発した同じソフトウェア開発チームが最低限のOSとドライバーだけを提供した拡張ファームウェアをgithubで公開しています。 ev3devはEV3本体に挿入したmicro SD cardから起動するため標準ファームウェアを壊してしまうことはありません。 何枚でも起動ディスクを作成することができるので失敗を恐れずに様々なことを試すことができます。 ev3devの release 1.0 がリリースされたのが今年の７月。その前後から世界中のハッカーが様々なプログラミング言語でev3devのプログラムを作成しています。 私もその流れ（流行）に乗って、mrubyをev3devの上で動作させようと今回試みました。
• #10 githubに掲載されている説明には次のようにあります。 "embedded"がキーワードになります。 "embedded" という言葉は意味が広く、例えば apache [固有名詞] や ngnx [固有名詞: 発音 engine x] に 組み込む(embed) という意味があります。 そういうアプリケーション・プログラム、サーバー・システムの一部としてmrubyを組み込む、ということに関心のある方は今日の16:00より、このホールAでMATSUMOTO Ryosukeさんが発表される講演をお聞きください。 私はもう一つの embedded の意味 家電製品や自動車やコピー機(いわゆるXerox)、そしてロボットなどマイコンを搭載した"組み込みシステム(embedded system)"にmrubyを組み込む用途について説明したいと思います。
• #11 当初サーバー分野で採用が進んだLinuxが、今では携帯電話（スマートフォン）やテレビに広く採用されています。 しかし、当初、こういった組み込み機器にLinuxを採用するときに様々な懸念や抵抗があったと聞きます。 「あれから２０年（きみまろ風）」組み込みシステムにmrubyのような抽象度の高いプログラミング言語を採用しようとすれば、おなじような抵抗を受けることが容易に想像できます。 mrubyの採用に対する様々な懸念が投げかけられるでしょう。 『敵を知り己を知れば百戦危うからず』　mrubyの欠点としてしばしば取り上げられるリアルタイム性能とは何か？初代RCXの光センサーのソフトウェア制御を例に説明します。
• #12 Mindstormsに採用されている光センサーはどういう仕組みか説明します。 写真では分かりにくいかもしれませんが、このセンサーには２つの電子部品が見えます。 一つはLEDライトです。光センサーがオンになると赤い光でセンサーの前にある物体を照らします。 そして、そのLEDライトの隣にあるのがフォトダイオードと呼ばれる光の強さを測定する電子部品です。 センサーから光を出して、反射してきた光の強さを測定する。航空機を探すレーダーに似た原理です。 このようなセンサーを能動センサー(Active sensor)と呼びます。 光センサーの正面に白い紙を置けば、反射光は強くなり、黒い紙を置けば反射光は弱くなる。 光センサーの正面に同じ白い紙を置いた時でも、近くであれば反射光が強くなり、遠ければ反射光が弱くなります。 単純な仕組みのセンサーですが様々な使いかたの応用が利きます。 まだ、mrubyの話はでてきません。もう少し我慢してハードウェアの話を聞いてください。敵を知り己を知れば百戦危うからず、です。
• #13 RCXでつかう光センサーにはLEDが必須です。したがってLEDを光らせるための電力を供給するための配線が一組必要です。 また反射光(refrected light)の強さを測定する受光素子にも電力を供給するための配線が一組必要です。 これらの配線はRCX本体からセンサーへ電気を送り出す出力（アウトプット）の配線です。 一方で反射光を測定した結果の信号を受け取るための入力（インプット）の配線が必要になります。 電気回路ではグラウンド(ground/設置)と呼ばれる配線は出力と入力で共通化することができるので、合計３本の配線があれば出力と入力が可能な回路(electric circuit)が実現できます。
• #14 これはMindstorm RCXと光センサーをつなぐコネクター部分の写真です。 レゴのポッチ(stug)を電気をつなぐコネクターとして上手に再デザインしています。 写真では分かりにくいかもしれませんが、コネクターから伸びているケーブルは二本（一組、一対, two-wired）しかありません。 いわゆるプラスとマイナスで一組です。モーターを回すのであれば、プラスとマイナスの一対の配線で構いません。 単純なセンサーであれば、プラスとマイナスの一対の配線で十分なものもあります。 ケーブルをコネクターのポッチ(stug)は４つありますが、ケーブルの線も４本にすると曲げたり狭い場所を通したりするのに不都合だとハードウェア設計者は考えたのではないでしょうか？ ケーブルは３本の線（３線式）よりも２本の線（２線式）が良いと。まさに士農工商メカ・エレキ・ソフトの上位階層に君臨するメカ開発者が考えそうなことです。 そこでメカ担当者の我が儘をエレキ担当者とソフト担当者が叶えた工夫が実際のRCXの製品で実装している次の方法です。
• #15 前のスライドで説明した通り、RCX本体とセンサーをつなげる配線は２本（１対）だけです。 その代わりにセンサーにコンデンサー (英:Capacitor) と呼ばれる部品を追加してます。 あえて日本をつかうと蓄電器と呼びます。秋葉原の電子部品店では「コンデンサー」で十分通じますが… このコンデンサーは携帯電話など使われている充電池(rechargeable battery)とは電気をためる原理が異なり、長くてもほんの数秒間 LEDライトを光らせておくだけの電力しかため込むことができません。もちろん充電池をセンサーに組み込めば数分間でも数時間分でも必要な電気を蓄えておくことができますが、それではセンサーの大きさが電池で大きくなり部品代が高くなってしまいます。 そんなことをメカ屋さんやエレキ屋さんが許すはずがありません。 そこでソフト屋さんの登場です。短時間で出力（充電）と入力（放電）を繰り返せばいいんでしょ？
• #16 RCX本体と光センサーと結ぶケーブルの電圧をオシロスコープと呼ばれる測定機器で測定した結果です。 図（グラフ）の読み方は、左から右に時間が流れて居ます。高さ（上下）は電圧です。 緑の線がRCX本体と光センサーを結ぶケーブルに流れる電気の強さ（電圧）を示しています。 緑の線の位置が上にあればケーブルに流れる電気の強さ（電圧）は高い、低ければ弱い、ということになります。 左右のメモリは一つの四角が４０マイクロ秒です。１マイクロ秒は１００万分の１秒ですから、非常に短い時間だというのがわかっていただけると思います。 緑の線が上に張り付いている平らな部分が、RCX本体から光センサーへ電気を送って充電している時間です。 非常に短い時間で充電が完了してMAXに達しているのが、このオシロスコープの図から見て取れます。 つぎに緑の線が下に落ちている部分、ここが光センサーが反射してきた光（反射光）の強さを測定している時間です。 反射光が強いとセンサーに流れる電気が多くなり（つまり放電する電気の量は多くなり）緑の線は、より下へ落ち込みます。 反射光が弱いとセンサーに流れる電気は小さくなり（つまり放電する電気の量は小さくなり)緑の線の下への落ち込みは小さくなります。 RCXに搭載されたプログラムは、この充電と放電（光の測定）を非常に短時間（１６０ミリ秒）で繰り返します。 とても人が切り替えていたのでは間に合いません。プログラムで動作するマイコンにしが実現できない機能です。 光センサーに対してどの程度の時間、充電すればよいのか？ 光センサーが反射光をうけて値が安定するまでにどの程度の時間が必要になるのか？ 実際にできあがった回路につないで試してみないと計算だけでは分からない部分があります。 そんな微妙な調整をオシロスコープをみながらプログラミングするのが古き良き時代の組み込みシステムプログラマーでした。
• #17 ハードウェアをご存じない人は、一定時間で電気信号の出力と入力を切り替えるなんて簡単さ！と思うかもしれません。 このオシロスコープの波形を見てください。一定の時間（１６０マイクロ秒）で電気信号の出力と入力を切り替えているはずなのに、その周期が乱れている（遅れている）箇所があるのがわかると思います。 RCXのマイコンは光センサーの制御だけをやっているわけではありません。RCXには複数のセンサーがつながりますし、複数のモーターを回すのもRCXのマイコンの仕事なのです。 RCXのマイコンは忙しいんです。忙しいサラリーマンが手が離せない他の仕事に取り掛かっている間にメールに返信できないように、RCXのマイコンも時たま手が離せない仕事にはまって、光センサーの出力と入力の切り替えのお仕事が後回しになってしまうのです。 リアルタイム性能とは、この手の離せない仕事で後回しになる時間が最悪（最長）どの程度になるか正確に見積もることができる機能になります。 リアルタイム性能を持ったOS(Operationg System)をつかったから、リアルタイム性能をつかったxxを使ったから、この遅れ（後回しになる処理）がゼロになるわけではありません。 マイクロプロセッサが常に複数の仕事を担っている限り遅れは不可避ですが、その遅れがどの程度で収まるか見積もることができる、というのが重要な性能です。 手が離せなくなり遅れることが悪いのではありません。かならず決められた時間以内に返事を返す。まさに人に求められることがCPUには求められます。 このオシロスコープの例でも１６０マイクロ秒の周期は遅れていますが、放電が終わってしまい光センサーから受け取る入力信号が不正になることはないようになっています。 mrubyを採用してGC(Garbege Collection)が発生したらどうなるでしょうか？ RCXのCPUはCGに掛かり切りになり、数百ミリ秒の間、光センサーの制御は後回しになります。 リアルタイム性能をもとめる組み込みシステムには採用できません。失格です。 １６０ミリ秒の一定周期でアップダウンすべき電圧の変化が、ときどき遅れていることがわかります。 Mindstorms RCXのCPUは複数のセンサーを監視する役割を担うため、処理が間に合わずに遅れることがあります。 このケースではコンデンサーから供給される電力が尽きる前に、処理が間に合っているため支障はありませんが、もし mrubyを採用するとCGのタイミングで、この数百倍から数千倍の遅れが発生して、コンデンサーの電力が途中で尽きてしまいます。
• #18 初代 Mindstorms RCX に mruby は採用できない。もし採用したらシステムが破たんすることがわかりました。 では　三代目 Mindstorms EV3 に mruby を採用しても大丈夫なのでしょうか？ 今回、私が実装した mruby-ev3 を例に、Mindstorm EV3の光センサーの仕組みを説明します。
• #19 最初に Minstorms EV3 の光センサー(Color Sensor)のインスタンス(instance)を作成するInitializerの説明です。 引数としてはポート名を与えます。
• #20 Initializerに与えたポート名は何かを説明するために写真をお見せします。 Mindstorms EV3では４つのセンサーを同時にIntelligent Brick本体に接続することができます。 ４つのセンサーを区別するためにつないだコネクターの位置をAPIのinitializerで指定する必要があります。 写真をみていただくとわかるとおり ３代目 EV3 では本体とセンサーをつなぐケーブルは６線(6-wired)になっています。 ※「６線」と呼んだり「６芯」と呼んだり呼び方がいろいろありますができるだけ「６線」で用語は統一します。 　英語も "line" と "wire" でニュアンスが変わると思いますが気にせず統一していただいて結構です。私も意識して「線」と「芯」を区別することはしません。 エレキ屋とソフト屋の巻き返しです！ でも確かに初代 RCXと比べて EV3のケーブルは曲げたり丸めたりして取回すことが難しくなっています。 線(wire)の数が増えて、平たく太くなったので仕方がありません。
• #21 EV3の光センサーは３つの動作モード、異なる機能を持っています。 RCXの光センサーは単色（赤色）の光の反射を測定することできませんでしたが、EV3ではカラー化を実現しています。 EV3では反射してくる光の色を測定するために、光の三原色、赤い光が反射する強さ、緑の光が反射する強さ、青の光が反射する強さを各々測定することができます。 したがってRCXの光センサーには赤く発光するLEDひとつしか搭載されていませんでしたが、EV3の光センサーには光の三原色、赤、緑、青で発行するLEDライトがひとつづつ、計３個のLEDが搭載されています。 Red, Green, Blueの三原色の各々の反射光の強さを測定する RGB-RAW (RAW:生の) モードがあります。 一方で RCXの光センサーと同じように単色（赤色）のLEDで照らして、赤色の反射光を測定する REFLECTモードがあります。 また反射光を測定するのではなく光センサーに入ってくる（環境の）光の強さを測定するAMBIENTモードがあります。 EV3のカラーセンサーには赤、緑、青の三色LEDライトが組み込まれています。一方で反射する光の強さを測定する部品は一つです。 赤、緑、青の各々の色の反射を測定するために、三色LEDを順番に点灯させて、その時々の反射光の強さを測っています。 RCXに比べてEV3の光センサー（＝カラーセンサー）は高機能で複雑な制御が必要そうです。EV3のマイコンは性能がアップしていますがリアルタイム性能は大丈夫でしょうか？
• #22 初代RCXはメインプロセッサ(CPU)１つで複数のセンサーをコントロールしていました。したがってリアルタイム性能は欠かせませんでした。 ２代目RCXはメインプロセッサとサブプロセッサのデュアルプロセッサ構成で処理を分担していました。メインプロセッサに求められるリアルタイム性能は低くなりました。 ３代目EV3ではセンサーにプロセッサーが搭載されました。したがって、本体(Intelligent Block)のメインプロセッサは光センサー（カラーセンサー）から送られてくる情報を受け取るだけでよくなりました。リアルタイム性能も基本的に必要なくなりました。
• #23 まとめ mrubyを使うことが向く分野 mrubyを使うことが向かない分野
• #24 士農工商メカ・エレキ・ソフトのヒエラルキーの最下層で、縁の下の力持ちとして頑張りましょう。
• #25 マッシュアップ(Mashup)