クラウド時代の組込みシステム技術

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1 クラウド時代の 組込みシステム技術 オープン 化する組込み Ken Sakamura, Ph.D. Chair of T-Engine Forum/uID Center Professor of The University of Tokyo 1 オープンな領域が広がってきている 2 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 1

2 3 オープンといえば 最初は OS だった UNIX, MINIX, TRON, Linux 4 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 2

3 2001 年 武田賞のテーマは オープン 左から Linux のライナス トーバルズ GNU のスートルマン TRON の坂村 15 オープンなレイヤが拡大 OS ミドルウェア ライブラリ開発環境 ブラウザ データベースハードウェア 6 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 3

4 組込み分野でもオープンの応用が拡大 最近 5 年で Open Source がカバーする組込システム応用分野はますます拡大 通信から航空機 宇宙に至る産業領域全体をカバー 7 宇宙に利用される TRON すざく ミッション 2005 年 7 月 10 日打ち上げ 高度約 550km の楕円軌道を回る ブラックホール近傍から出る X 線を宇宙望遠鏡で観測 宇宙の構造がどのように進化してきたかの手がかり DHU は μitron2.0 OS すざく の後継 2013 年打ち上げ予定の ASTRO-H には SpaceWire が搭載され T-Kernel で動作 64 ビットマイクロコントローラ 大容量データ処理 衛星内ネットワーク分散処理 8 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 4

5 これからの技術環境 開発環境だけでなく利用環境のオープン化も システム自体も オープン へ 9 ネットワークの高速化 低コスト化 常時接続化 組込みシステムもクラウドと接続するのが常態化例えば家庭内の電力利用統計も 家庭内にサーバーを立ててデータ管理 分析するより全電化製品をクラウドにつなぐ方が容易に クラウドと実世界を繋ぐモノ としての組込み 10 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 5

6 例えば家庭内の電力利用統計のクラウド化 ホームサーバー前提の従来型モデルサーバー ネットワークの構築 保守管理サービス アップデート 新規繋ぎ込み他メーカーとの連携等 多くの問題 ホームネットワーク は主流にならず 11 ユビキタス機能分散システムへ 組込みシステムが 眼 耳 や 手 足 となり現実世界の状況を知り また操作し クラウドが現実世界から上がるビッグデータを処理し スマートフォンが人々と対話し それらをあまねくリアルタイム ネットワークが結ぶ世界 12 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 6

7 システムアーキテクチャのオープン化 いつでも どこでも リアルタイム接続の時代 組込み端末がクラウドの 末端 となる機能分散型システムの一般化組込みシステムをネットワーク端末とするクラウドサービスへ 13 多様な OS によるオープンな機能分散 14 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 7

8 組込み機器のこれからの特徴 情報処理能力は変わらない 一次データ処理としてローカルでのセンサーデータ解析は必要 それ以上の記録 高度なデータ記録 解析 グラフ化 管理などはクラウド側で処理 ユーザインタフェースはむしろ小さく 高度なユーザーインタフェースはスマートフォンで行えば本体側の操作はむしろ簡単に ネットワーク機能にすべてが集約 15 T-Kernel 2.0 と T2EX これからのオープンな 組込み のための 2.0 化 16 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 8

9 T-Kernel1.0 から T-Kernel2.0(T2) へ バージョンアップ版の T-Kernel 2.0 をリリース (2011 年 5 月 ) 従来の T-Kernel 1.0 の設計方針や特長は不変 T-Kernel 1.0 に対しては上位互換 ソース互換およびバイナリ互換 CPU の高性能化 デバイスの大容量化を活かす追加機能 64 ビットデータの導入 マイクロ秒単位の時間管理機能 大容量デバイスへの対応 ワンストップサービス T2 で提供されるソフトウェア T-Kernel2.0 動作対象機種の tef_em1d に合わせて ARM11 コア依存部を追加 T-Monitor ハードウェアの初期設定 T-Kernel のブート処理 割込みや例外のハンドリング ハードウェア階層の対話型デバッグ機能 メモリやレジスタの参照 デバイスドライバ 時計 (RTC) シリアルコンソール タッチパネル スクリーン (LCD) システムディスク 18 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 9

10 T2 で提供されるソフトウェア Eclipse 開発環境 Windows PC 上で動作 コンパイルやビルド 実機へのプログラム転送と実行 デバッグ機能 ブレークポイントの設定 変数値の参照や変更など このほか Linux のコマンドベース ( 非 GUI) の開発も可能 QEMU によるエミュレータ Windows PC 上で動作 ハードウェア ( 実機 ) がなくても開発できる CPU およびボード搭載の各デバイスに対応 タイマ microsd カード I2C UART( シリアル ) USB RTC LCD タッチパネル LAN など 19 T-Kernel のプログラム開発 統合開発環境 Eclipse でプログラム開発 デバッグ ICE 不要 PC 上の仮想環境での開発も可能 20 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 10

11 T-Kernel 関連の機能分散向け製品 21 T-Kernel for Android Open Accessory Android 端末用の周辺機器を T-Kernel で開発するための開発評価キット OS の適切な役割分担をサポート リアルタイムの機器制御は T-Kernel で 高度な GUI や複雑な情報処理は Android で 22 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 11

12 組込み向けハイパーバイザー RTH witht-kernel T-Kernel 2.0 と RTH(Real-time Hypervisor) により Windows が苦手とするリアルタイム制御処理を 同一 CPU 内の T-Kernel で実現 Windows と T-Kernel 双方のメリットを活かした組込み機器の開発が可能 23 Qt for T-Kernel オープンソースで洗練された GUI 機能などを提供 Qt Creator など使って T-Kernel 用の GUI を開発可能 Linux や Windows 上の Qt 資産を T-Kernel 上で利用 24 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 12

13 T2EX T-Kernel2.0 Extension 25 T2EX: T-Kernel 2.0 Extension 26 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 13

14 T2EX 誕生の背景 T-Kernel 搭載の組込み機器への要求を分析 リアルタイム を維持したまま機能追加したい 要求度の高い機能 : ファイル管理とネットワーク通信 コンパクト も維持する必要がある Windows や Linux など情報系の重い OS は使えない CPU コアが MMU を持たないケースも 27 応用例 1: デジタルカメラ シャッター制御 オートフォーカス 手ぶれ補正の処理 リアルタイム性が必須 撮影した画像の保存 ファイル管理機能が必須 スマートフォンから無線 LAN 経由でリモコン操作 ネットワーク通信機能が必須 28 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 14

15 応用例 2: PC 用のプリンタ インクジェットの噴射やノズルの移動 リアルタイム性が必須 SDカードからのプリント ファイル管理機能が必須 スマートフォンから無線 LAN 経由で印刷 ネットワーク通信機能が必須 29 T2EX の基本方針 (1) T-Kernel 2.0 の軽量性を活かす拡張機能 ファイル管理やネットワーク通信などを追加 T-Kernel の タスク から直接呼び出せる API プロセス の機能は敢えて導入しない プログラムの独立性を保ちながら開発するには有用だが オーバーヘッドが不可避 プロセスの導入には CPU コアに MMU が必須 コンパクトな組込み機器では採用しにくい Linux などの情報系 OS との差別化を図る 30 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 15

16 T2EX の基本方針 (2) 標準 C ライブラリや POSIX との互換性 親和性に配慮 fopen() fread() fwrite() fprintf() などを導入 一般的な C 言語プログラムの移植が容易で開発効率向上 各機能を取り外し可能なモジュールとして実装 不要な機能の削除によりさらにコンパクト化 機器のハードウェアの低コスト化にも貢献 安全性の向上 ページング等の高機能な MMU を必須としないメモリ保護機能 すべての API をスレッド安全な仕様としてマルチタスク環境下での誤使用を回避 31 T2EX の機能 メモリ保護機能 ファイル管理機能 ネットワーク通信機能 カレンダ機能 プログラムロード機能 標準 C 互換ライブラリ 標準入出力機能を含む 32 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 16

17 T2EX のソフトウェア全体構成 33 T2EX ネットワーク通信機能 BSD ソケットが提供する機能をほぼ利用可能 小さいフットプリント リアルタイムスケジューリングを用いて優先度を考慮した通信プログラムの作成が可能 より堅牢なアプリケーション 34 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 17

18 T2EX のファイル管理機能の実際 各 API の基本機能や使い方は POSIX や Linux とほぼ同様 ただし API 名称に "fs_" のプリフィックスが付く fd = fs_open(path, flags, mode) でファイルをオープン fd にファイルディスクリプタを取得 fs_read(fd, buf, count) でファイルを buf に読み込み fs_write(fd, buf, count) で buf からファイルに書き込み fs_close(fd) でファイルをクローズ 35 ファイル管理機能の主な API fs_attach ファイルシステムの接続 fs_detach ファイルシステムの切り離し fs_open ファイルのオープン fs_close ファイルのクローズ fs_lseek ファイルの読み書きオフセット位置の変更 fs_read ファイルの読み込み fs_write ファイルへの書き込み fs_rename ファイルの名前 位置を変更 fs_unlink ファイルの削除 fs_fsync ファイルの同期 fs_creat ファイルの作成 fs_sync ファイルシステムの同期 fs_mkdir ディレクトリの作成 fs_rmdir ディレクトリの削除 36 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 18

19 ネットワーク通信機能の主な API so_accept ソケットへの接続の受け付け so_bind ソケットに名前をつける so_close ソケットを閉じる so_connect ソケットの接続 so_getsockname ソケットの名前取得 so_getsockopt ソケットオプションの取得 so_setsockopt ソケットオプションの設定 so_listen ソケット上の接続を待つ so_read ソケットからの読み込み so_recv ソケットからのメッセージ受信 so_select 多重化 I/O の同期をとる so_write ソケットへの書き込み so_send ソケットへのメッセージ送信 so_socket 通信のエンドポイントを作成 so_gethostname ホスト名を取得 so_sethostname ホスト名を設定 37 T2EX: まとめ T2EX の意義 コンパクトな組込み機器の高機能化 ネットワーク化に対応した T- Kernel 2.0 の拡張機能 T-Kernel 2.0 とともに 高機能化した組込み機器の開発効率向上 開発期間短縮 開発コスト削減に貢献 T2EX の用途 デジタルカメラ プリンタ 電子文房具的な機器 OA 機器 ヘルスケア機器 PC やスマートフォン用の周辺機器など 38 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 19

20 組込み Linux との比較 39 組込み Linux との比較 組込み Linux とは? 組込み Linux は あくまで標準 Linux を組込み用途にカスタマイズしたもの したがって 根本に関しては標準 Linux システムと大きな違いはない プロセス ファイルシステム POSIX API, T2EX ははじめから組込みを対象として設計されており組込み Linux とは設計レベルで根本的に異なっている 40 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 20

21 例 : Linux のブートプロセス 一般的な Linux のブートプロセス ブートローダのロード Linux カーネルの RAM へのロード 初期 RAM ディスク (initrd) のロードとマウント 初期 RAM ディスク上のカーネルモジュールのロード ルートファイルシステムのマウント Init プロセスの実行 アプリケーションプログラムの実行 ファイルシステムが必要 プロセスが必要 POSIX 由来の機能がシステムの根幹をなしており 結果的に組込み用途には無駄が生じてしまう データの保存が不要なシステムでもファイルシステム機能は切り離せない 単一プロセスのシステムでもプロセス機能は必須 41 組込み Linux と比較した T2EX の特徴 タスクベースのシステム プロセス ファイルシステムを必須としない軽量な構成 タスクベースのシステム上に 高度なアプリケーションを実現できる プロセスベースのシステムに対し ROM/RAM の使用を大幅に削減 軽量なメモリ保護機能 プロセスのような多重論理空間によらない 省メモリ 高速なメモリ保護機能を提供 OS 機能の選択 T2EX の OS 機能は デバイスドライバと同じレベルで 結合したり切り離したりすることができる ファイル管理機能やプログラムロード機能といった Linux の主要な OS 機能ですら簡単に取り外しできる 不要な機能を切り離すことで ROM/RAM の利用を大幅に減らすことができる 42 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 21

22 組込み Linux と比較した T2EX の特徴 省 ROM/ 省 RAM T2EX ではデバイスドライバ OS 機能の構成と設定に応じて ROM: 100KB~610KB, RAM: 70KB~16MB の範囲でシステムを構成可能 一般的な組込み Linux のシステムでは 数 MB 以上の ROM および RAM が必要になる 明確に仕様化されたシステムレベル API 組込み開発者は 多くの場合 デバイスドライバやカーネル等のシステムレベルの開発に興味がある しかし Linux ではカーネルレベルでは明確な API が定まっておらず バージョンアップにより頻繁に API やパラメータ等が変わってしまう状況にある T-Kernel 2.0, T2EX では tk_xxx_yyy() 形式の明確な API が定義されており T-Kernel 1.0 以来互換性を堅持している 43 これからの制度環境 社会レベルのオープンサービスに結びついた組込みシステムを活かせる制度環境が必要 組込みシステム側にもそれに対応できる技術が必要に 44 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 22

23 オープンな組込みシステムの理想のサービスは よく考えると 多くのものが 政府 自治体 民間 個人の複雑な連携が必要 複雑な連携自体は ICT の高度化により技術的に可能に しかし 技術以外の点で多くの難しい問題このような役割分担を権限 責任 さらにはセキュリティやインセンティブの観点から 45 どのように実現するか 本質は ガバナンス チェンジ 本質は 技術面 よりむしろ 制度面 ガバナンスを 集中から分散へ ガバナンスを クローズからオープンへ 46 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 23

24 制御のガバナンス 属人か 属家か 属サービスか制御のガバナンスは個人に属するか 家 ( の中にその機器があるという場所コンテクスト ) に属するか 組込み機器を通じてサービスを提供する主体に属するか 47 制御のガバナンス 誰が責任を取るか逆に責任を取る主体が決まっていれば事故が起こっていいのか? 自動機械の手にかかるぐらいなら むしろ人間のミスで死にたい? 関連法規だけでなく保険などもコンセプトの変更が必要 48 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 24

25 データのガバナンス 組込み機器の使用によって日々生まれる様々なデータは 誰ものもの か? 誰が管理 し 誰が保証 し 誰が利用を許可する のか? エコのためになるなら地域で使用できるか安全性向上のためならメーカーが利用できるかすでに自動車の走行データは安全性向上のためにメーカーが収集している 49 プライバシー意識も変化 SNS によるプライバシー意識の変化個人情報保護で行政が拘束されている一方で Flicker などに平気でプライベート写真を上げる若者たちも個人がクレジットレシートをアップしそれを話題に盛り上がる 買い物 SNS まで出現 プライバシーだから守れ だけではない時代に WiFi 体重計のツイート機能のようにライフログの SNS 化へ 50 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 25

26 システムもそれに対応しなければならない これからの組込みシステムにおいてはデータと制御のガバナンスの高度な管理が重要に家庭から出さなければいいという問題ではない単なる暗号化を超えて権限のグループ管理やデータ部分的露出など平時と有事の権限設定変更など Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 26

27 毛沢東の赤ワイン電脳建築家 世界を食べる角川書店 2012/8 刊 53 この続きは TRONSHOW で 54 Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 27

28 TRONSHOW2O13 Tokyo Midtown Copyright 2012 by Ken SAKAMURA 28