いまどきの組込みOSの​ ZephyrRTOSと​ OpenThreadを​ Arduino環境で遊んでみる

1. いまどきの組込みOSの
ZephyrRTOSと
OpenThreadを
Arduino環境で遊んでみる
あすもの研 5月度 MEETUP
富士通コンピューターテクノロジーズ 常田 裕士

2. 最近の組み込みOS事情
qFreeRTOS
• Anazonが買収(2017年)
ThreadX RTOS
• Microsoftが買収(2019年)

3. Zephyr-RTOS
q元々WindRiver社のプロジェクトだったが、オープンソース化
q現在はLinux Foundationが開発を進めている
• Nordic Semiconductorが積極的にコミット
q4月に最新版のv1.14.0がリリース

4. Zephyr-RTOSの特徴
q全体的にLinux風味の組み込みOS
qprintk()など、Linuxのカーネル見たことある人なら、
ナントナクソレッポイのが見える。
qいろんなハードに対応するため、Linuxで実績のあるmenuconfigを移植している
現在150種類以上のボードに対応
q FreeRTOSと比べると、「大きなOS」
q FreeRTOSは敢えてタスクの実行関係だけに絞っていて、他はオプション
q ZephyrRTOSはドライバから何から、「色々入っている」
menuconfig, DeviceTree導入の帰結で、要らないものを外してコンパイルできるから。

5. OpenThread
Google傘下のNestが作ったIoT向け通信規格のThreadのオープンソース版
IEEE802.15.4, 6LoWPAN, COAPなどのオープン標準の上に作られている。
Threadの仕様はThread Groupで作っている。
• 仕様書は登録すれば無料で読める。ただし情報公開に制限あり。
• 認証には金がかかる(Bluetoothなんかと同じ)
各種の組み込みOSに埋め込んで使える。
• 現在ZephyrRTOSとFreeRTOSに対応が入っている。

6. Google Next Hub Maxに搭載!
2019年夏、アメリカ、イギリス、オーストラリアで発売予定

7. ZephyrRTOSをArduino環境から使う
https://github.com/soburi/arduino-on-zephyr
実体としては、ZephyrRTOS組み込んだArduino互換実装
Arduinoからコンパイルできるようにするために、あの手この手で動かしている。

8. main()が動けばいいじゃない！
// cores/arduino/main.cpp
int main(void)
{
init();
initVariant();
setup();
for (;;) {
loop();
if (serialEventRun) serialEventRun();
}
return 0;
}
Arduinoのメインの処理はこれだけ。
Init(), initVariant()は初期化処理。必要なければ何もし
なくてもよい。
serialEventRunも設定しなければ何もしない。
setup(), loop()は自分で書いている。
 実は何もしなくてよい。

9. Lチカ
 pinMode(), digitalWrite(), delay()は作る必要がある
 だいたい似たような関数がZephyrRTOSにある
• delay()
 ZephyrRTOSではk_sleep()が全く同じ機能。
• digitalWrite()
 gpio_pin_write()が同じ機能。ピンの番号だけ変換。
• pinMode()
• gpio_pin_configure()が同じ機能
 attachIntterupt()もpinの設定を変えるけど？
 Arduinoだと、attachInterrupt()はレジスタ見てピン状態を確認してる
 ZephyrRTOSだと、ピンの状態調べられない？！
 いい感じに実装する
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(1000);
}

10. コンパイルする
最近のArduino(1.8以降)はarduino-builderのコマンドを経由
して、コンパイラを動かしている
Arduinoのhardware以下のフォルダにあるplatform.txtを読
み取って、コンパイルのコマンドを決めている。
Arduinoの.inoファイルはコンパイル時にC++のソースに変換
される。
ArduinoIDE
arduino-builder.exe
gcc

11. ZephyrRTOSのコンパイル
ZephyrRTOSではCMakeとninjaでビルドシステムが作られて
いる。
コンパイラの設定はZephyrRTOS側で持っている
CMake
ninja
gcc

12. 黒魔術
arduino-builderからコンパイラが起動されるので、platform.txtを書き
換えて、コンパイラの部分を乗っ取る
コンパイルのコマンドを引っ掻き集めて、CMakeのファイルを作る。
あとはZephyrRTOSのビルドの仕組みでビルドする。
arduino-builderのpreprocessの処理が酷い
使われているライブラリを探す処理をpreprocessでやっている
インストールされているライブラリのディレクトリをひとつずつ
include対象にして、総当たりでコンパイルエラーが発生しない
設定を探す。
ArduinoIDE
arduion-builder.exe
独自コマンド
CMake
Ninja
gcc

13. 独自ライブラリを作る
今回はZephyrRTOSに組み込まれているOpenThreadを使いたいので、ライブラリを作成した
基本的には、「関数を呼ぶだけ」
https://www.arduino.cc/en/Reference/APIStyleGuide
• Arduinoのライブラリの作成ガイド
• Don’t assume knowledge of pointers.
• ArduinoのAPI設計の根幹
• Computer Science的な原則と敵対することになる。
• Abstract禁止！
• これを守ると、ライブラリの使用感がArduinoっぽくなる。

14. 通信
自作のOpenThread APIを使って、RaspberryPiと UDP echoで単純な通信ができた。
通信自体は従来のArduinoのUDPライブラリと同じ。ノウハウがそのまま使える。
NRF52840
(Arduino化)
RaspberryPI
(Linux)
OpenThread
モジュール
echo
echo

15. nRF52840
国内で入手できるモジュールもようやく増えてきた
https://www.sparkfun.com/products/15025 千石電商で売ってる
https://www.switch-science.com/catalog/5400/ SwitchScienceで売ってる
https://makezine.com/2019/05/17/arduino-unveils-new-nano-family-of-boards/
5/17に発表された Arduino Nano33 にも搭載予定

16. まとめ
ZephyrRTOS/OpenThreadはGoogle Nest Hub Maxが流行ると、面白くなるかも。
arduinoのAPIの設計はクセがある。
arduino-builderの闇は深い。
nRF52840のボードが出てきたので、OpenThreadで遊ぶ環境が作りやすくなった。
OpenThreadを触ってるやつがいない。