(Microsoft PowerPoint - \221g\202\335\215\236\202\335\203\\\203t\203g\203E\203F\203A\215H\212w No04\201i\224z\225z\227p\201j.pptx)

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1 前回の講義のおさらい 組み込みソフトウェア工学 第 4 回組み込みシステムアーキテクチャ ブロック図と状態遷移図 開発プロセス 製品を開発する上での必要なプロセス 何を作るか ( 要求, 戦略 ) どうやって作るか ( 開発プロセス ) 開発で必要な要因 ( 人物金情報 ) スケジュールと仕様書 外部仕様 内部仕様 本日の内容 組み込みシステムアーキテクチャ 組み込みシステムにおけるソフトウェアを作成する上で必要な構成要素をどのように考えるかについて理解する 組み込みで必要な技術要素 構成要素 ブロック図 状態遷移図 組み込みで必要な技術は何か MPU( マイクロプロセッサ ) に関する知識 MPUの種類 CISC : Z80, 805, 8085 RISC CPU Core : MIPS, ARM, PowerPC, NIOS With IO : PIC, H8, SuperH, AVR 色々なプログラミング言語の知識 ( クロスコンパイラ ) ASM, C, C++, Java RTOS (Real-Time OS) の知識 itron, VxWORK, OS-9, QNX, Linux, WindowsCE メモリ管理技術 (MMU : Memory Management Unit) 周辺装置の使い方その他...

2 組み込みシステムを構成する要素 構成要素で必要なことは SW コードの Rev 管理 プロセスのスケジューリング PDCA 機能 開発 保守 Review RAM ROM レイヤモデル 開発プロセス 仕様書 メモリ管理 要件定義 割込み 設計, 実装テスト, 保守 プロセッサ タイマ 組み込みシステム HW 周辺デバイス DMA センサー駆動 シングルタスク OS パラレルシリアル プログラムの ROM 化 OS AD,DA SW RTOS メモリ管理 OS の無い組み込み SW タスク 信頼性 プロセス メッセージ スケジューリング 排他制御タスク間通信データ共有 開発環境 ROM 化 試験技術 保守 デバック 言語 手続き型 コンパイラ テストケース 環境 保守性の良いコード 信号観測 ICE モニタプログラム ログ JTAG タスクデバッガ オブジェクト指向 どんな構成要素があるのか? どんな製品を作るのか? 製品のコンセプト, アーキテクチャ その製品はどのような要素で成り立つのか? 機能毎のブロック図 ハードウェアおよびソフトウェアのブロック図 状態遷移図 処理単位の状態の変化とイベント 直感的に分かり易くするために図で状態を表す 製品に対する設計思想 ( 哲学 ) 組み込みシステムアーキテクチャ 組み込みシステムアーキテクチャ 専用の機能を実現 ハードウェアとソフトウェアが緊密に統合されたコンピュータシステム 特定のアプリケーション用に構築 ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントは高度に統合される 開発モデルはハードウェア / ソフトウェアの共同設計モデルとなる. アーキテクチャが無いとどうなるのか? 何を拠り所としてシステムを作るのか 開発途中で思いつきでどんどん変更されると... 専用の機能を実現つまりバグだらけの製品となる ハードウェアとソフトウェアが緊密に統合されたコンピュータシステム 特定のアプリケーション用に構築少しの変更でも他に与える影響が ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントは高度に統合される大きくなりれる. 開発モデルはハードウェア, バグや製品自体が動 / ソフトウェアの共同設計モかない物が出来上がってしまうデルとなる. 変更の部分が多岐に渡る可能性があるため, システムの完成が遅 アーキテクチャが無いとどうなるのか? 何を拠り所としてシステムを作るのか 開発途中で思いつきでどんどん変更されると... 遅れないように無理をすると潜在的なバグが多くなる可能性がある.

3 どんな製品を作るのか どんな製品を作るのか クーラーを例に 機能 センサー 部屋を冷やし, 設定温度を維持する 風量, 方向が変更可能 クーラーを例に 機能 センサー 部屋を冷やし, 設定温度を維持する 風量, 方向が変更可能 インターフェース 信頼性 設計の前提となる要求は 温度, 平均電力の表示 操作パネル PIC の使用 LCD 表示 動作保証, エラー表示 インターフェース 信頼性 設計の前提となる要求は これらから全体のアーキテクチャを考え, その後各々の技術的な要素を検討していく 温度, 平均電力の表示 操作パネル PIC の使用 LCD 表示 動作保証, エラー表示 クーラー要求仕様 ( サンプル ):req_sample_ac_ pdf 実際のクーラーはどうなっているのか クーラーの簡略図 操作パネル 制御信号 制御信号 風量制御 冷気循環用モータ 風量用モータ 冷気 温度計 ファン 冷気 方向制御 冷気循環制御 室外機制御 制御基板 制御パネル 電源回路 電流計 簡略図では個々の機能は分からない 方向用フィン & モータ 電源回路 制御基板 全体を動かすソフトウェアの存在 機能ブロックに分けて考えることの必要性

4 ブロック図 クーラーの HW ブロック図 ブロック図とは 機能単位を四角のブロックで表示し データや制御の流れを表わすのに利用される 風量用モータ モータ制御 ファンセンサー ウィンドセンサー 温度計 ブロック図の必要性 一目で全体像を描き, 理解する 全体のアーキテクチャから機能毎への細分化 ハードウェア / ソフトウェア同士の関わり合いの理解 方向フィン用モータ 冷気循環用モータ 室外機モータ モータ制御 モータ制御 モータ制御 CPU パネルスイッチ LCD 電流計 電流制御 電源回路 ブロック図は... ソフトウェアブロック図を考えてみよう ハードウェアがどのような構成をしているかが理解できる ソフトウェアエンジニアにとって詳細の回路図を理解する必要はない ソフトウェアをどのように設計して良いかはハードウェアのブロック図だけでは分からない しかし CPU に関する部分についてソフトウェアが関連することは分かる ハードウェアに依存する部分と依存しない部分とに分けて, ソフトウェアのブロック図を考えてみる 前回, 要求定義書を見て考えて見た OSは必要? それとも不要? OSが不要な場合 ポーリング + 割込み処理で実現可能か? ポーリング処理はブロック図では何と書く?

5 HW ソフトウェアブロック図 パネルスイッチ LCD IF 制御 全体管理 ポーリング処理 割込み RAS ソフトウェアブロック図は ソフトウェアがどの様に構成されているかが分かる どの様な機能をソフトウェアのモジュールとして作成すれば良いかを考えられる HW 風量モータ 風量制御 温度センサー 方向モータ 方向制御 ウィンドセンサー 循環モータ 室外機制御 ファンセンサー 室外機モータ 電源回路 電源管理 ソフトウェアを機能毎に分割し, うまく HW と関係させる単純に細かい機能をタスクするのでなく, 集約して扱えるものを探す RAS : Reliability, Availability and Serviceability( 信頼性 可用性 保守性 ) 電流計 全体管理 どのような OS を使うのか 風量制御 効率の良い温度管理 方向制御 冷気の方向制御 室外機制御 室外機ファンのオンオフ 冷気循環のオンオフ IF 制御 パネル SW や表示の管理 割込み処理 どの様な異常処理があるか RAS 信頼性に関する情報 電源管理 電源のオンオフ 電流の計測 ソフトウェアブロック図は 状態遷移図 ソフトウェアがどの様に構成されているかが分かる どの様な機能をソフトウェアのモジュールとして作成すれば良いかを考えられる 全体管理 どのようなOSを使うのか 風量制御 効率の良い温度管理 方向制御 冷気の方向制御 室外機制御 室外機ファンのオンオフ 冷気循環のオンオフ IF 制御 パネルSWや表示の管理 割込み処理 どの様な異常処理があるか RAS 信頼性に関する情報 電源管理 電源のオンオフ 電流の計測 モジュール単位のプログラム状態の変化に合わせた処理が分からない 状態遷移図の作成 状態遷移図とは.. 基本的な挙動の定義 例外パターンや異常処理の定義 システム全体のプロセスやタスクなどの処理単位のプログラムの状態の変化とその状態変化を引き起こすイベントについてまとめたもの 状態が遷移 ( 移動 ) することを分かり易くした図

6 自動販売機の状態遷移図例 自動販売機はお金が入れられるのを待っている 20 円以上のお金が入れられたらランプを点灯する 投入金額が 20 円未満のときは何も起こらず 待っている ランプが点灯している時にボタンが押されると商品を出す もし残金が 20 円以上残っていたら再びランプを点灯する 残金が 20 円未満の場合は お釣りを出す また ランプが点灯している時にお釣りを出す操作がなされたら お釣りを出す 自動販売機の状態遷移図例 非常に簡単に書くと... 状態を変化させるのが Flag お金が入れられた [ 投入金額 20 円 ] 商品が出た [ 残金 20 円 ] ランプ点灯 お金が入れられるのを待つ ボタンが押された 選択された商品を出す 電源オン おつりを出す操作がなされた 商品が出た [ 残金 <20 円 ] お金が入れられた [ 投入金額 <20 円 ] おつりを出す ( 例 ) コード作成例 自動販売機の状態遷移図からプログラムコードを作成 Vending_machne.c 複数のフラグを使う 状態と状態を変化させるためにフラグを使っている 変数名や関数名は分かる様な用語を使っている 長くても OK! コンパイルしたら同じだし 状態遷移図 ( クーラー ) 温度上昇 電流超過 WIND STOP FAN STOP 温度下降 TIMER TINT= SW8= SW9= SW4= SW2= SW3= 割込 ERR_DISP_ON ERR_DISP=00~004 Debug SW 制御 表示 ONOFF ERROR 表示 ERROR 表示制御 ERR_DISP_CNT= SW2,3,4,8,9= FAN 回転の確認 Power ON NOP NOP FAN_ON= FAN_ROT=0 0 FAN_CNT ERR_DISP=003 LCD 表示 (ERROR) ERR_DISP_CNT = 0 or ERR_DISP_ON = 0 or ERR_DISP = 00 ~004 Reset 初期化 SW= SW= TINT= LCD 表示 IMES= TMES= CHK_TEMP= FAN_SENSOR =TINT=0 FAN_ON=0 FAN_CNT= ERR_DISP=00 室内外機 OFF Idle FAN_OF F FAN_ON=0 温度測定 FAN_CNT= FAN 制御風量変更方向変更 FAN_CNT=0 TMES= TMES=0 LCD 表示 <2deg >20degTINT=0 各 Flag の状況で状態を変化させる SW= FAN_ON= FAN_CNT= ERR_DISP=00 0 FAN_ON=0 FAN_CNT= 室内外機 ON WIND の確認 FAN_O N FAN_ON= LCD 表 SW7=0 示 SW7= SW6=0 SW6= 設定温度変更 Rotary Encoder LCD_DISP_ON= CHK_IMES=0 CHK_TEMP=0 LCD_DISP_ON=0 CHK_IMES= CHK_TEMP= LCD 表示電流測定設定温度と測定温度との差の確認 CUR_OVER= ERR_DISP=004 強 ~ 微弱の信号の変更 FAN_ON= FAN_CNT= ERR_DISP=002 各種設定のリセット 近 ~ 遠の信号の変更 LCD 表示 202/0/ TK LCD 表示 ( 通常 ) LCD_DISP_ON = 0 or LCD_DISP_MODE = TEMP, FLOW, DIR, POWER, SET_TEMP LCD_DISP_DATA = 3 charactor LCD 表示

7 ブロック図, 状態遷移図 他の技術との融合 ハードウェアブロック図 どの様なハードウェアであるかがわかり, システム全体のハードウェアのアーキテクチャが分かる ソフトウェアブロック図 ソフトウェアとしてどの様なモジュールが必要かがわかり, 全体の構成と関わるソフトウェア技術についてわかる 状態遷移図 システム全体がどの様に動くかがわかり, バグの少ないソフトウェアを作ることが可能となる これら 3 つの図を作成することでシステムとしてのアーキテクチャが理解可能となる ブロック図の理解や状態遷移図の作成には色々な知識が必要となる ブロック図の作成 理解には 電子回路 制御工学 メカトロニクス工学 通信工学 組み込みシステム デジタル信号処理 状態遷移図の作成 理解には オペレーティングシステム プログラミング技術 インターフェース技術 ソフトウェア工学 マルチメディア技術など そして, 創造性, 経験が必要 信頼性工学 ヒューマン IF 工学など 外部仕様 まとめ 実習用ボード,BOX を課題に合わせ, かつ, 他の人に理解してもらうことが必要 他の人が課題に合わせたボード,BOX を扱うためには外部仕様が必要となる 実習用ボードや BOX のスイッチ, 表示, その他機構をどの様に扱うのかの記載をする 製品に必要な構成要素を考える 構成要素とブロック図の必要性 ハードウェアブロック図 ソフトウェアブロック図 状態遷移図 ソフトウェアの処理単位毎の状態の変化 IF_sample_ac_ pdf 第 3 回の資料を見直して, 再度考えて見よう

8 課題 : ブロック図 状態遷移図の作成 各自 次回 までに, 各自ハードウェアブロック図ソフトウェアブロック図状態遷移図を作成する A4 用紙 2 枚以内にまとめること