2014 1018 OSC-Fall Tokyo NETMF

オープンソースカンファレンス2014 Tokyo/Fall
オープンソースになったマイコン開発環境
.NET Micro Frameworkの紹介。
- IoT 時代の組み込みOSの主役-
ドットNETまいくろバンザイ倶楽部
日高亜友
info@devdrv.co.jp
ドットNET
まいくろ
バンザイ
2014/10/18 ドットNETまいくろバンザイ倶楽部1

セッション内容
 .NET Micro Frameworkとは？
 新プラットフォームへの移植
 組み込みアプリケーション開発とIoT
ドットNET
まいくろ
バンザイ
2014/10/18 ドットNETまいくろバンザイ倶楽部
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.NET Micro Frameworkとは？
ドットNET
まいくろ
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.NET Micro Framework とは？
 Microsoft Research 開発の組み込みOS
 Visual C# / Visual Basicで開発したIL
.NET アセンブリを中間コードインタプリタで実行
 豊富なドライバとライブラリを標準装備
 オープンソース・ライセンスで公開(Apache V2)
 30種以上のプラットフォームに移植されて動作
 .NET Micro Framework (NETMF) 移植済みSOC
 業務アプリケーション・システム応用事例
ドットNET
まいくろ
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ドットNET
まいくろ
バンザイ.NET Micro Framework の歴史
 2001年V 1.0
SPOT Watch / MSN Direct Service
（Microsoft リサーチ）
 2006年V2.0
Windows SideShow Device
 2008 年V3.0 , 3.5 for Network
 2010年V4.0 for Open Source
 2011年V4.2 for Visual Basic
 2012年V4.3 for Visual Studio 2012
 2014年V4.3-R2β for Visual Studio 2013/2014

NETMFの本質
 本来は、Windows CE 未満のプラットフォーム用
組込みシステム向け製品となるはずだったOS
 （かつては）移植キット販売済
 （かつては）製品ライセンス販売予定
 2010年にオープンソース化
 Apache V2 ライセンス→無償で商用利用可能
 競合OSの台頭
⇒ 製品相当の機能・性能・品質を無料で公開
 2014年末に何かが起こるかも？
ドットNET
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ドットNET
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バンザイアーキテクチャ
 全体構成
アプリケーション開発
ライブラリ開発
プラットフォーム移植
2 種類の実装方法
- Native Platform
- “OS on OS” solution
CLR: Common Language Runtime
HAL: Hardware Abstraction Layer
PAL: Platform Abstraction Layer

ドットNET
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バンザイOSとしての提供機能
 IL（.NETのアセンブリ）の実行環境= TinyCLR
 タイマ, 割り込みハンドラ, マルチスレッド,
スケジューラ
 ブートローダ, 各種デバイスドライバ, リソースマネージャ
 組み込み環境対応
 MMU 不要
 最小64KB RAM / 256KB ROM (特別な環境)
 標準サポートARM7/9/Cortex-M3, Blackfin, SH-2/2A
 サポート機能
 ブートローダ, アプリケーションローダ, デバッガIF

ドライバとサービス
デバイスコントローラデバイスドライバ
Cache
Ethernet, WiFi
GPIO
I2C
INTC
LCD / Display
Piezo / Speeker
PMC
SDRAM
SDCARD / MMC
SPI
Thermistor
TIME (RTC)
TIMER
USART
USB Client
Backlight (GPIO,SPI)
BatteryCharger / Measurement
BlockStorage (Flash, SD)
Buttons
COM
DPWS
Gesture
Font, Graphics
HTTP
Ink
Interop
FileSystem (FAT)
Security, Crypto
TCP/IP, Socket, RPC, SSL
Touch Panel (Multi Touch)
XML
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ドットNET
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バンザイプラットフォームとアプリケーション
 自作ボードや未サポートボードに移植
 CQ出版等の移植事例（参考資料）
 周辺ハードウェアを自作して動作
 容易に接続可能→.NET Gadgeteer
 ライブラリやシステムを開発・改造
 Emulatorの開発、独自モジュールの開発
 連係システムやアプリケーションを開発
 他のシステムとの接続
 PC, Smart Phone, Cloud連係

SDK vs. PK (Porting Kit)
 SDK: 組み込みアプリケーション開発
 アプリケーション開発に必須
 Visual Studio / VC# Express に組み込んで使用
 Simulator, Debugger, Deployment Tools を含む
 PK：動作プラットフォームの構築（移植）
 .NET Micro Framework の移植に必須
 ほかにクロスコンパイラ（＋デバッガ）が必須
 ツール類を含めた全ソースコードが提供
 ほとんどをC++ で記述（一部アセンブラ, C, C#）
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バージョンを
合わせる必要がある

新プラットフォームへの移植
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バンザイ

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バンザイ移植方法の選択
 Native実装
TinyBooter = NETMF専用ブートローダ
 TinyCLR直接実装VS. TinyBooter実装
 TinyCLR / TinyBooter のメンテナンス手順が必須
 他のブートローダ利用
 U-Boot, T-Monitor (T-Engine)等
 Network ブート
 OS on OS
 他のOSのアプリケーションとしてNETMFを実装
 ソースコードが公開されているので
実際にはどの様にでも作ることが可能
Monoへの
エクスポート

サポート・プラットフォーム
 PK が用意しているサポート・テンプレート（標準サポート環境）
 BF537 -- ADI Blackfin
 EA_LPC2478 -- NXP LPC2478 (Embedded Artists LPC2478 4MB / 512KB)
 iMXS -- MC9328MXS (32MB RAM / 8MB Flash ROM)
 MCBSTM32E – STM32F103 Cortex-M3 (KEIL MCBSTM32E 8MB / 1MB)
 MOTE2 -- Marvell PXA271 (Crossbow imote2)
 PCM023 -- NXP LPC22xx ARM7
 SAM7S_EK -- Atmel AT91SAM7S256 (64KB RAM / 256KB Flash ROM)
 SAM7X_EK -- Atmel AT91SAM7X512 (128KB RAM / 512KB Flash ROM)
 SAM9RL64 -- Atmel AT91SAM9RL64EK (64MB RAM / 256MB Flash ROM)
 SAM9261_EK -- Atmel AT91SAM9261EK (64MB RAM / 256MB Flash ROM)
 SH7216_RSK -- SH-2A 16MB SRAM / 1MB Flash ROM
 SH7264_M3A_HS64 -- SH-2A 64MB RAM / 516MB Flash ROM
 SH7264_RSK -- SH-2A 64MB RAM / 64MB Flash ROM
 SH7619_EVB -- SH2 8MB RAM / 4MB Flash ROM
 STM32Stamp -- STM32F103 Cortex-M3 (ET-STM32 Stamp 512KB RAM / 64KB)
 Windows2 -- Windows Emulator
 そのほか公開されている事例
 STM32F4 -- STM32F4-Discovery, Netduino Plus, FEZ Cerberus Oberon microsystems
 FM3/FM4 -- SK-FM4-U120-9B560, MB9BF506, CQ_FRK_FM3 ksekimoto
 RX62
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移植前のチェック
 ターゲット・プラットフォーム
 RAM/RAM容量（ROM不足はRAMで代用可能）
 CPU アーキテクチャ
 gcc利用時の最低メモリ目安
 RAM 256KB / ROM 512KB (Thumb / Thumb2 命令)
 コンパイラとデバッガ
 Windows上で動作するクロスコンパイラ
 Windows上で動作するJTAG-ICE デバッガ
 Native 実装vs. “OS on OS” 実装
 ターゲット・プラットフォームの適正
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移植に必要な知識
 組み込みシステム全般
 割り込み処理, 割り込みVector, Cache, MMU, PLL
 ブートローダ
 移植対象のCPU, ターゲット・ボード
 データシート, 回路図, メモリマップ, クロック
 ツール
 Toolchain（コンパイラ, アセンブラ, リンカ, ライブラリアン）
C, C++, CPUのアセンブラ命令, コマンドプロンプト, VB Script
 デバッガ, JTAG ICE, Eclipse, OpenOCD+GDB
 OSアーキテクチャとリソース管理
 メモリ, タイマ, 割り込み, イベント
 .NET Framework とCLR
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ソフトウェア環境とツール
 Visual Studio 2012 (VC++ 2012 exp, VC# 2012 exp も可)
Windows SDK 8.0 (MSBuild)
 .NET Micro Framework 4.3 SDK (QFE1)
 .NET Micro Framework 4.3 Porting Kit (QFE1)
 クロスコンパイラ, デバッガ
 推奨はARM RVDS, KEIL MDK
 gccはCodeSourcery arm-2014.05-28 (GCC 4.8.3まで)
一部ソースコードが非対応なので自力で問題解決
 クロス開発統合環境
 Eclipse (自分で作る場合も…)
 ソースコード管理
 7zip, WinMerge, VSS, svn, …
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ハードウェア環境とツール
 JTAG ICE, またはOpenOCD ICE
 対応CPUやボード構成をよく確認する
 Flash ROM書き込みツール（必要に応じて）
 ブートローダ開発環境（必要に応じて）
 評価ボード（ターゲットが利用できない場合）
 測定器、信号観測ツール
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移植の主要作業
 開発環境構築と基本設計
 環境変数設定＆クロス開発用ビルドスクリプト作成
 メモリ割当て設計＆Scatter ファイル設定
 Solution の作成
 ビルド＆デバッグ
 NativeSample を動作させる
 ブートローダ, 初期化処理(Clock, Cache, MMU, PLL)
 ドライバ, PAL IF (Flash ROMドライバ開発必須, UART)
 TinyCLR の動作
 TinyBooter, アプリケーション・ロードとデバッグIF
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InterOpの実装
 NETMF標準APIに無いOS機能を
アプリケーションから呼び出す
 使用方法
 標準APIに無いドライバの実装
 例：USB Host ドライバ, Flash ROM管理,
 クリティカルな処理をCまたはアセンブラで記述して
アプリケーションから呼び出す
 実装方法
 C#でAPIを記述、コードをC/C++/アセンブラで記述
 パラメータ、リターン値、非同期処理、イベントが利用可能
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ビルド&デバッグ
 NativeSample
 Native Code での”Hello world” 表示出力
 ビルド環境の検証（自由にカスタマイズ可能）
 ドライバ類の初期化&動作の検証
 TinyCLR
 .NET Micro Frameworkの移植対象・本体
 実行にはIL （コンパイル済アセンブリ）が必須
• メモリ管理
• 割り込み
• タイマー
• 232C/USB
ドライバ
 ProductSampleディレクトリ（HelloWorld, Network など）
 TinyBooter
 NETMF 純正ブートローダ（MFDepoy IF）
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TinyCLRとアセンブリの実行動作
起動
初期化
Debugger 接続
アセンブリ検索
アセンブリのロード
アセンブリの実行
無し
‘F5’ キーで
ビルド、デプロイ、
実行、デバッグ
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Flash ROM
読み出し・書き込み
デプロイ後

考察：Native 環境への移植
 利点
 全ソースコードが用意されている
 ブートローダ, CPU初期化, リソース管理
 動作している実機サンプルが入手し易い
 割り込み/ イベント処理が実装し易い
 欠点
 未対応アーキテクチャには移植し難い
 クロスコンパイル, デバッグ環境を手当てする必要
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考察： OS on OS 環境への移植
 利点
 OSが用意している開発環境を流用可能
 JTAG-ICEの代わりにデバッガで代用可能
 1回移植すれば、同一OSへの移植が容易
 欠点
参考： .NET Micro Framework for Linux
 参考にするソースコードが用意されていない
 動作している実機サンプルが入手し難い
 OS依存APIを変換する作業（PAL層開発）が必須
（Timer, Event, Select, Socket, …）
 ドライバの移植数、作業工数はNativeよりも多い
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組み込みアプリケーション開発
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アプリケーション開発手順
 事前調査・基本設計
 Interface 仕様の確認(H/W, S/W, Network, …)
 コーディング
 Full .NET 環境用コードの流用
 ソースコード・デバッグ
.NET Gadgeteeer
 エミュレータ, オンライン・デバッガ
で簡単に！
 Full .NET 環境でのデバッグ（ソース流用化）
 デプロイ
 Flash ROM焼き, 配布用署名付きコード生成
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デバッガインターフェース
 デバッガとの接続手段：3種類から選択
ドライバ
ドライバ
ドライバ
 独自ハードウエア開発の注意点
 OS更新用のデバッガ（ブート）・スイッチの必須
 通常はGPIOタクトSW（ボタン）, DIP-SW等を使用
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Serial (RS232C)
USB
LAN (TCP/IP) Host PC Target

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バンザイ.NET Gadgeteer とは？
 Microsoftリサーチが開発している
.NET Micro Framework ベース組み込みシステム統合
開発環境とそれを構成するモジュール製品群
 MMU無しマイコン上でVisual Studioで開発した
.NETアセンブリ（中間コード）をインタプリタ実行
 GUI操作で自動的に
初期化コードとクラスラ
イブラリを追加
Gadgeteer
.NET MF
App. / Lib.
Interpreter
OS / Driver

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バンザイ.NET Gadgeteer とは？
 具体的には次のもの
 ハードウェア
 専用メインボード、専用モジュール群、
開発環境としてのWindows PC
 ソフトウェア
 ROM化されたOS、組み込み用各種ドライバとライブラリ、
Visual Studio用Plug In（ライブラリとGUIツール、シミュレータ）
 新規モジュール開発やカスタマイズ可能
 オープンソース

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.NET Gadgeteer とは？
 C#/VB言語レベルでライブラリと豊富なミドルウェアを提供
 プロトコル、グラフィック
 ファイルシステム
 サービス、マルチスレッド
 10種以上のCPUボードと
100種以上の
アクチュエータ,
センサー,
ネットワークアダプタ,
コネクティビティ,
ディスプレイ等の
モジュールを提供
ドットNETまいくろバンザイ倶楽部30

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バンザイIoT (Internet of Things)
 IoT と.NET Micro Framework
 2010年12月
 NETMF搭載
FEZ Panda Internet of Things Kit 販売開始
Network + LED + Switch + Sensor

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バンザイIoT Internet of Things
 デバイスとITの架け橋
 http://blogs.msdn.com/b/hirosho/
 Internet Of Things ハンズオン
 http://aka.ms/IoTHandsOn
 Microsoft Azure モバイルサービスと
センサー類を接続
 IoT 入門キット
 ガジェッターIoT 入門キット
 EnOcean IoT 入門キット

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バンザイIoT入門キット
 IoT 入門キット
 ガジェッターIoT 入門キット
 EnOcean IoT 入門キット

参考URL
 .NET Micro Framework (NETMF)
 http://www.netmf.com/
 http://netmf.codeplex.com/
 http://en.wikipedia.org/wiki/.NET_Micro_Framework
 .NET Gadgeteer
 http://www.netmf.com/gadgeteer/
 https://gadgeteer.codeplex.com/
 http://ja.wikipedia.org/wiki/.NET_Gadgeteer
 https://www.ghielectronics.com/
 http://tinyclr.jp/
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まとめとFacebook Group
 .NET Micro Frameworkとは？
 .NET Micro Framework (英語)
 新プラットフォームへの移植
 .NET Micro Framework Porting勉強会(日本語)
 組み込みアプリケーション開発とIoT
 .NET Micro Framework/Gadgeteer 作品自慢(日本語)
興味がある方、是非facebook groupにご参加ください！
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