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しらんごちょう
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1 EV3RT の内部構造と進んだ使い方 2015 年 6 月 20 日名古屋大学大学院情報科学研究科李奕驍 1

2 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドアプリのローディング操作の流れ Standalone Mode の進んだ使い方 2

3 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドアプリのローディング操作の流れ Standalone Mode の進んだ使い方 3

4 EV3RT の二つの開発動作モード Dynamic Loading Mode ローダで動的に実行できるモジュール (ELF) としてビルド SD BT シリアルからロードできる Standalone Mode (Advanced) アプリとベースシステムは一つのバイナリとしてビルド EV3ブートローダが直接にサポートする実行形式 (uimage) SDカードのルートフォルダに入れるだけで独立に動作可能アプリローダ自体も一つのStandaloneアプリである 4

5 EV3RT の二つの開発動作モードビルド方式は make コマンドの引数で指定 Dynamic: Standalone: make mod=<folder name> make app=<folder name> cfg ファイルとソースの中は #if で処理を分けられる #if defined(build_module) #include "module_cfg.h" #else #include "kernel_cfg.h" #endif 5

6 EV3RT のアーキテクチャ Dynamic Loading Mode の場合ユーザドメイン (TDOM_APP) 非特権モード API で開発 Libraries & Bindings Trike Self-balance User Application API Bindings for C++ Application Programming Interface Gyroboy HelloEV3 Trike for EV3 Dynamic Loader HRP2 API EV3 API for C Newlib Platform Interface Layer ベースシステム特権モード Device Drivers Sensor Motor LCD μsd Task Time DCRE Bluetooth Serial Speaker Synchronization ISR TOPPERS/HRP2 Kernel 6

7 EV3RT のアーキテクチャ Standalone Mode の場合 Libraries & Bindings Trike Self-balance User Application API Bindings for C++ Gyroboy Trike for EV3 Dynamic Loader HelloEV3 Application Programming Interface 任意のドメイン特権 / 非特権全機能利用可能 Device Drivers HRP2 API Platform Interface Layer EV3 API for C Newlib Sensor Motor LCD μsd Task Time DCRE Bluetooth Serial Speaker Synchronization ISR TOPPERS/HRP2 Kernel 7

EV3RT のアーキテクチャ Standalone のアーキテクチャは自由に改造できるが Dynamic のは二つの部分に分けられる Dynamic Loader Platform Interface Layer Device Drivers Sensor Motor LCD μsd Task Libraries & Bindings Trike User Application

8 EV3RT のアーキテクチャ Standalone のアーキテクチャは自由に改造できるが Dynamic のは二つの部分に分けられる Dynamic Loader Platform Interface Layer Device Drivers Sensor Motor LCD μsd Task Libraries & Bindings Trike User Application Self-balance API Bindings for C++ Application Programming Interface Bluetooth Serial Speaker HRP2 API EV3 API for C Newlib ベースシステム TOPPERS/HRP2 Kernel Platform Interface Layer ユーザアプリ Dynamic に基いて解説 8

9 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドアプリのローディング操作の流れ Standalone Mode の進んだ使い方 9

10 ユーザアプリの実行をサポートするためのサービスを提供するシステムソフトウェア Standalone のブートイメージとしてビルドできるモジュール構成 HRP2 Kernel 各種ドライバ Platform I/F ミドルウェア (e.g. Loader) Dynamic Loader Device Drivers Sensor Motor Platform Interface Layer LCD μsd Task Time DCRE Bluetooth Serial Speaker Synchronization ISR TOPPERS/HRP2 Kernel 10

11 TOPPERS/HRP2 カーネル静的リアルタイムオペレーティングシステム利用可能なリソースは cfg ファイルで静的に定義保護機能メモリアクセスの保護カーネルオブジェクトのアクセス保護拡張サービスコール機能ユーザアプリからドライバをアクセスするために必要動的生成機能拡張 11

12 HRP2 カーネルの動的生成機能拡張 (DCRE) カーネルオブジェクトの動的生成をサポートするパッケージ ER_ID tskid = acre_tsk(pk_ctsk); // C 言語でタスクを生成 Object Pool パターン : 動的に生成できる最大数が静的指定 AID_TSK(32); // 最大 32 個のタスクが生成できる Dynamic Loaderとドライバを開発するために導入ユーザアプリの開発では直接に使えない DCREはミドルウェアの開発向けの機能細粒度の保護機能が無い例 : カーネルドメインのタスクを生成して保護機能をbypass システムタスク ( カーネルドメイン ) しか利用できない Standalone Modeはシステムタスクを静的に作成して利用可能 12

13 重要なデバイスドライバミドルウェアの一覧 (1/2) Linux Kernel Driver Interface 互換レイヤー SoCドライバ汎用入出力 (GPIO) ポートのドライバ高精度アラームハンドラ機能のドライバスピーカのドライバ Two-Level Segregate Fit(TLSF) メモリアロケータ SDカードコントローラのドライバ汎用 FATファイルシステムモジュール FatFS Bluetoothのドライバ Newlib Support Package モータのドライバ 13

14 重要なデバイスドライバミドルウェアの一覧 (2/2) Soft UARTポートのドライバ UARTセンサのドライバアナログ-デジタル変換 (ADC) のドライバ LCDスクリーンのドライバ EV3RT Console 機能ユーザドメインのボタンハンドラ機能ユーザドメインの周期ハンドラ機能システム設定機能 14

15 Linux Kernel Driver Interface 互換レイヤー一部の Linux のドライバを再利用するために TOPPERS カーネル API を使って簡易の Linux Kernel Driver Interface 互換レイヤーを実装したメモリ管理アクセス機能カーネルロギング機能同期機能 (Spin Lock,Mutex と Semaphore) 割込みハンドラ管理機能高精度カーネルタイマ (hrtimer) 15

16 SoC ドライバ EDMA ecap UART 等 SoCの基本機能をサポート他のドライバの開発を支援するためのミドルウェア StarterWare for ARM-based Sitara Processorsをベースとする EV3 の SoC メーカ (Texas Instruments) が提供した Low Level Driver サブシステムの管理 Special Registersの定義 16

17 汎用入出力 (GPIO) ポートのドライバ GPIOに関する操作をサポート Pin 定義とMultiplex 機能 Pin 単位の割込みハンドラ登録と Dispatch 機能 17

18 高精度アラームハンドラ機能のドライバ第二世代の TOPPERS カーネル (HRP2) はタイマ管理機能はミリ秒単位しか対応していないマイクロ秒精度で動作するドライバ (Analog センサ等 ) が存在するためより高精度なアラームハンドラ機能が必要 HRP2 カーネルはタイムティックの設定をサポートするタイムティック周期 =(TIC_NUME / TIC_DENO) ミリ秒 TIC_DENO を増やすことで, より高精度のタイムティックが得られる標準のアラームハンドラ機能を参考してタイムティック精度で動作するアラームハンドラ機能を実装した acre_hires_alm(...) // 高精度アラームハンドラの生成 sta_hires_alm(...) // 高精度アラームハンドラの動作開始 stp_hires_alm(...) // 高精度アラームハンドラの動作停止 18

19 高精度アラームハンドラ機能のティック周期の課題引数の単位はマイクロ秒で実際の動作はティック精度アラームの起動時刻はティック単位で切り捨てる Tick: 100us, Almtim: 125us => 実際の Almtim: 100us 切り捨てられた場合は Warning Log を出力ティック周期を全ての高精度アラームハンドラの相対起動時刻の最大公約数に設定しないと精確に動作できない機能サウンド再生 Analog センサ情報更新起動周期 125 μs 200 μs しかしティック周期が早すぎるとオーバヘッドがとても大きくなってリアルタイム性に悪影響が出る現時点はサウンド再生機能の処理精度を犠牲にして 100us に設定 19

20 スピーカのドライバサウンドの再生をサポート指定した周波数のノートと WAV ファイル (8bit モノラル ) のデータストリームを再生できるリアルタイム性を保証するためにデータストリームはインメモリでないといけないアプリは WAV ファイルをメモリにロードしてから再生する音声の再生は排他的に行う現在再生中のサウンドが停止される Linux のドライバを再利用した 20

21 Two-Level Segregate Fit(TLSF) メモリアロケータリアルタイムシステム向けの動的メモリアロケータ動的生成機能拡張と標準 C ライブラリのために導入 O(1) の計算量で malloc/free リアルタイム性高い複数のメモリプールが対応ベースシステム ( カーネル ) 用メモリプールとアプリ用メモリプールを別々に管理できるので HRP2 のメモリ保護機能との相性が良い Newlib のデフォルトのアロケータは一つの heap しか使えない Fragmentation は少ない ( 平均的に <15%) 排他制御はサポート 21

22 SD カードコントローラのドライバ EV3に搭載されたmicroSDカードスロットをサポート EV3のSoCは二種類のSDカードを対応 ;SDXCは非対応規格サイズ Addressing Mode SD ~2GB Byte 単位 SDHC(SD High Capacity) 4GB~32GB Block(512B) 単位 Block 単位の Read/Write 操作を実装した現時点はSDHCだけ対応 (SoCのマニュアルはSDHCベースのため) SDカード (<=2GB) は将来サポートする予定 DMA 方式で実装したので性能が良くてリアルタイム性に影響小さい 22

23 汎用 FAT ファイルシステムモジュール FatFS 特徴 Windows 互換 FAT ファイルシステムをサポート ANSI C(C89) 準拠で移植性が優れている下位レイヤインターフェース disk_status - デバイスの状態取得 disk_initialize - デバイスの初期化 disk_read - データの読み出し disk_write - データの書き込み disk_ioctl - その他のデバイス制御 get_fattime - 日付時刻の取得 disk 系関数は SD カードのドライバを使って対応できる get_fattime() は現時点で未対応 23

24 Bluetooth のドライバ EV3 に標準の Bluetooth チップ (CC256x, v2.1 EDR) が搭載されているため標準の Bluetooth スタックドライバが必要 BTstack というオープンソースのスタックドライバを移植軽量で組込み向け OS なしでも動作できる機能が豊富 Bluetooth SIG により認証済み対応するチップが多い EV3 の CC256x もサポートする CC256x と SoC は UART で通信しているので移植はとても簡単 UART 操作関数で BTstack の HCI インタフェースを実現したら良い BTstack Bluetooth Chipset UART 24

25 Bluetooth のドライバ BTstack の API を使って仮想シリアルポート (Serial Port Profile) のサービスを実装した TOPPERS SIO ドライバでも使えるようにした接続された時に open 切れたら close 受送信データを処理するために Run Loop が必要 Run Loop 用のタスクを作成した Services Run Loop BTstack Serial Port Profile Bluetooth Chipset PH Bluetooth Stack RFCOMM L2CAP HCI UART

26 Bluetooth 通信の QoS 確保アプリより高い優先度で動作すると高速で通信する場合アプリのリアルタイム性に悪影響アプリより低い優先度で動作するとスタベーションで接続が切れてしまう可能性がある接続を保護するために QoS タスクで動的に BT タスクの優先度を上げる現時点のポリシー 20ミリ秒ごとに1ミリ BTタスクをアプリより高い優先度に参考 : 倒立制御処理 5ミリ秒周期で動作実行時間は1ミリ秒以内課題 : より精確なKeep Aliveポリシーを使う BTタスクの普通優先度 =TMAX_TPRI アプリの最高優先度 BTタスクの高優先度高 BT QoS タスクの優先度 26

27 Newlib Support Package TLSF FatFS BTstack 等のドライバはそれぞれの API を持っている標準 C ライブラリ (Newlib) でこれらのドライバの機能を吸収して開発者の学習コストを削減できる TLSF アロケータで動的メモリ管理のシステムコールを実現 _malloc_r/_free_r/_calloc_r/_realloc_r を実装して Newlib 本来のアロケータを override した FatFS でファイル操作機能をサポート FatFS は File Descriptor を使ってないため Newlib の File Descriptor で FatFS のデータ構造 (FIL) を管理する機能を実装した fopen/read/write 等の関数で SD カードを操作できるようになった Bluetooth 通信のための FD(SIO_BT_FILENO) を作成通信用の特殊な FD fprintf/fscanf 等で簡単に Bluetooth 機能を使える 27

28 モータのドライバモータの制御をサポートするドライバ LinuxのPWM 制御モジュール (d_pwm) を再利用した以下の機能を持つ速度制御ブレーキ制御二つのモータの同期運転 ( ステアリング等 ) 回転制御 ( 指定した角度や時間でモータを回す ) ロータリーエンコーダ ( モータの回転角を測定 ) 28

29 Soft UART ポートのドライバ EV3 には 4 つ ( ポート 1~4) の UART ポートが搭載されるポート 1 と 2 は Native の UART でポート 3 と 4 は SoC の PRUSS( Programmable Real-Time Unit Subsystem) という機構でソフトウェアでエミュレートしたもの PRUSS は TI 社独自の開発言語 ( アセンブラ風 ) を使ってとても理解し難いが Linux 用のファームウェアが提供している Linux 用 Soft UART のファームウェアの Loader を移植して Soft UART ポートのドライバを実装した 29

30 UART センサのドライバ UART で通信するセンサをサポート EV3 の UART センサは具体的なタイプ ( 超音波かカラー等 ) にかかわらず LEGO 社により定義したプロトコルで通信する UART センサ通信プロトコルの機能センサとポートのクロック Baudrate 同期センサの情報の取得 ( モードの数データの範囲等 ) センサモードの切り替え ( カラー => カラーモード反射光モード等 ) センサデータの更新 Linux のドライバを再利用した 30

31 アナログ - デジタル変換 (ADC) のドライバ AD コンバータ (SPI 経由 ) からデータを取得する Analog センサ ( タッチセンサ等 ) のデータ I2C センサ (NXT 版カラーセンサ等 ) のデータモータの電流バッテリの電圧センサのタイプ EV3RT は I2C センサを未対応 I2C センサ (NXT 版カラーセンサや超音波センサ ) のほとんどには対応する UART センサが提供されているので必要性が低いと判断 Linux のドライバを再利用した 31

Framebuffer: システムメニュー Console 等用のVRAM 指定した頻度で画面をリフレッシュするデフォルトは

32 LCD スクリーンのドライバ EV3のLCDコントローラ (ST7586) で画面表示複数のFramebufferを提供互い干渉しないので開発は簡単アプリ用 Framebuffer: ユーザアプリが直接にアクセスできるVRAM システム用 Framebuffer: システムメニュー Console 等用のVRAM 指定した頻度で画面をリフレッシュするデフォルトは 10fps DMA で処理するのでオーバヘッドは小さい VRAM への書き込みは Linux の ST7586 ドライバを参考して実装した 32

33 EV3RT Console 機能 EV3 本体で直接にEV3を制御できる Backボタンの長押しで呼び出されるタスクログはここで見られる syslog,printfの出力はパソコンがなくても確認できる Loader 機能と Power off が使える 33

34 ユーザドメインのボタンハンドラ機能ボタンハンドラは GPIO の割込みで起動するが割込み処理の中から直接に呼び出されると保護機能が適用できないこの課題ためにボタンハンドラ用のフラグとタスクを用意ボタンの GPIO 割込みでイベントフラグをセット iset_flg(current_button_flag, 1 << BRICK_BUTTON_BACK) ユーザドメインのタスクはフラグをチェックしてハンドラを呼び出す wai_flg(btn_click_flg, ) => handlers[i](exinfs[i]) 34

35 ユーザドメインの周期ハンドラ機能 TOPPERS の標準の周期ハンドラはボタンハンドラと同様に割込み処理から呼び出されるので保護機能が使えない周期ハンドラの定義や数はボタンハンドラとは違って固定されていないので同じ手法で対応できないアプリの周期ハンドラ毎に TOPPERS の周期ハンドラと実行用タスクを生成して TOPPERS の周期ハンドラでタスクを起動動的生成するための関数 :_ev3_acre_cyc( ) アプリはこの関数ではなくて以下の静的 API を使ってハンドラを生成提供する API EV3_CRE_CYC(...) // 静的 API パラメータは CRE_CYC と同じ ev3_sta_cyc(...) // ユーザドメイン周期ハンドラの動作開始 ev3_stp_cyc(...) // ユーザドメイン周期ハンドラの動作停止 35

$ユーザドメインの周期ハンドラ機能静的 API の定義からユーザドメインの周期ハンドラを動的に生成する関数が生成される EV3_CRE_CYC(EV3_CYC1,{TA_STA,0,test_ev3_cychdr,500,0}); void _initialize_ev3api_cyc() {... pk_ccyc.$

36 ユーザドメインの周期ハンドラ機能静的 API の定義からユーザドメインの周期ハンドラを動的に生成する関数が生成される EV3_CRE_CYC(EV3_CYC1,{TA_STA,0,test_ev3_cychdr,500,0}); void _initialize_ev3api_cyc() {... pk_ccyc.cycatr = TA_STA; pk_ccyc.exinf = 0; pk_ccyc.cychdr = test_ev3_cychdr; pk_ccyc.cyctim = 500; pk_ccyc.cycphs = 0; ercd = _ev3_acre_cyc(&pk_ccyc); _ev3api_id_ev3_cyc1 = ercd; } アプリの初期化タスクで呼び出される 36

37 システム設定機能 INI ファイルでシステムを設定できる /ev3rt/etc/rc.conf.ini INIファイルを解析するためにMinIniモジュールを導入現時点で設定可能な項目 Bluetoothのデバイス名 BluetoothのPINコードポート1の使い方 : センサポートかシリアルポート 37

38 Platform Interface Layer 保守性を向上するためにユーザアプリからアクセスすることがあるドライバに対してある程度安定した I/F が必要 PIL はユーザアプリとベースシステム間の I/F を定義する共有メモリ (brick_info_t) 拡張サービスコール PIL にバージョン番号があるベースシステムは同じ PIL バージョンのアプリしかロードできない同じ PIL 番号のベースシステムはアプリのバイナリ互換性を持つ Bug fix した場合アプリをリコンパイル必要がない 38

39 Platform Interface Layer 共有メモリ (brick_info_t) のインタフェースアプリから直接アクセス可能のメモリ領域のポインタの集合ベースシステムはドライバの初期化で該当のポインタをセット SVC _fetch_brick_info() でベースシステムのbrickinfo_t を取得できるオーバヘッドは拡張サービスコールよりずっと小さい 39

40 Platform Interface Layer 拡張サービスコールのインタフェースベースシステムにドライバ Stub のプロトタイプを定義ベースシステムに拡張サービスコールを生成ユーザアプリに拡張サービスコールを呼び出す関数を提供ユーザアプリのコンパイルはベースシステムのソースに依存しない 40

41 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドアプリのローディング操作の流れ Standalone Mode の進んだ使い方 41

42 EV3RT のユーザアプリケーションと SDK ユーザアプリ : Mindstorms EV3 を制御するプログラム EV3RT が提供するソフトウェア開発キットで作成できる特定のユーザドメイン (TDOM_APP) で動作動的ローディング用のアプリモジュールとしてビルド可能ソフトウェア開発キット (SDK) の構成 API 静的ライブラリサンプル (& Workspace) Libraries & Bindings Trike Self-balance User Application API Bindings for C++ Application Programming Interface Gyroboy Trike for EV3 HelloEV3 HRP2 API EV3 API for C Newlib Platform Interface Layer Version xxx Loadable Application Module 42

43 EV3RT のユーザアプリケーションと SDK Application Programming Interface TOPPERS/HRP2 カーネル静的 API cfgファイルに記述してカーネルオブジェクトを静的に定義生成保護ドメインはTDOM_APPか無所属でないといけない [Dynamic] TOPPERS/HRP2 カーネル API( サービスコール ) RTOS 機能 ( タスク管理同期通信タイマ等 ) 標準 C ライブラリ (Newlib) 動的メモリ管理ファイル操作 (Bluetooth 通信含む ) 入出力関数等 EV3RT C 言語 API モータセンサスピーカ LCD 等 EV3RT 独自の機能 43

EV3RT のユーザアプリケーションと SDK 静的ライブラリアプリの開発では API の他にオプションのライブラリも使える EV3RT はライブラリを簡単に開発導入できる機能を持つライブラリのプロジェクトフォルダは workspace/common/lib の下に workspace/common/lib/libcpp-ev3 ET ロボコン用

44 EV3RT のユーザアプリケーションと SDK 静的ライブラリアプリの開発では API の他にオプションのライブラリも使える EV3RT はライブラリを簡単に開発導入できる機能を持つライブラリのプロジェクトフォルダは workspace/common/lib の下に workspace/common/lib/libcpp-ev3 ET ロボコン用 C++ ライブラリ workspace/common/lib/libcpp-test サンプルライブラリアプリの Makefile(ev3way-cpp/Makefile.inc の例 ) で導入できる... # Include libraries include $(WORKSPACE_LIB_DIR)/libcpp-ev3/Makefile... 44

a 静的 lib( オプション ) ライブラリの Makefile THIS_LIB_NAME := <libname> # ライブラリの名前 THIS_LIB_OBJS := c-1.o c-2.

45 EV3RT のユーザアプリケーションと SDK 静的ライブラリの開発ライブラリプロジェクトフォルダの構成 Makefile ライブラリのMakefile src/* ライブラリのソースコード include/* アプリが使えるヘッダファイル <libname>-[loadable standalone].a 静的 lib( オプション ) ライブラリの Makefile THIS_LIB_NAME := <libname> # ライブラリの名前 THIS_LIB_OBJS := c-1.o c-2.o # C 言語オブジェクト THIS_LIB_CXXOBJS := cpp-1.o cpp-2.o # C++ オブジェクト include $(WORKSPACE_LIB_DIR)/../Makefile.slib 静的ライブラリ (.a) が無い場合アプリのビルドで自動生成 45

46 EV3RT のユーザアプリケーションと SDK ユーザアプリケーションの主なタスク構成優先度タスク周期実行時間 1 システム初期化 once / 3 Bluetooth( 高 ) 20ms 1ms 4 LCD リフレッシュ 100ms?(<1ms) 6 BUSY / / 7 アプリ初期化 once / >= TMIN_APP_TPRI ユーザアプリケーション TMAX_TPRI Bluetooth( 低 ) BUSY タスクは優先度がアプリより高いの無限ループシステム初期化の途中でアプリのタスクの実行を一時停止 46

47 EV3RT のユーザアプリケーションと SDK ユーザアプリケーションの初期化タスク ( 一部省略 ) C++ Global Constructor には待ち状態になるコードを使っては行けない 47

48 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドアプリのローディング操作の流れ Standalone Mode の進んだ使い方 48

49 Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドベースシステムのコードに依存しないので PIL と API とのソースコードと一緒に独立の ELF ファイルとしてビルドできる単一のユーザドメインに属するので全てのコード ( またはデータ ) のメモリ保護設定は同じである ELF ファイルに text セクションと data セクションがあれば十分ローダでオブジェクトを動的に生成するために cfg ファイルの内容を ELF ファイルに格納することが必要 Module Configuration Table を導入ローダからオブジェクトの ID を取得する方法が必要コンパイル時は unknown 完全位置独立コード (-mno-pic-data-is-text-relative) ローディング領域のアドレスは固定でない

50 Dynamic Application Loader の仕組み Module Configuration Table アプリのcfgファイルを格納するためのデータ構造 Module Configuration Entryの配列 sfncd: 静的機能コード TSFN_CRE_TSK/SEM/FLG argument: 引数へのポインタ生成情報のパケットの場合が多い retvalptr: 動的生成の関数の戻り値を格納する変数へのポインタある CRE_TSK の例 :

51 Dynamic Application Loader の仕組みオブジェクト ID 生成の流れ 1. オブジェクト ID のマクロと格納するための変数を定義 2. オブジェクト ID の変数を Mod Cfg Entry の戻り値として登録 3. Loader が動的生成関数 acre_yyy() を呼び出してオブジェクト ID を Mod Cfg Entry の戻り値として設定 4. これでオブジェクト ID のマクロは実際の値になる

52 Dynamic Application Loader の仕組み Loader の Load 操作の流れ 0. 動的モジュールのセクションを格納する領域を用意 1. ELF ファイルのセクションを上記の領域にロード 2. 完全位置独立コードの relocation を行う 3. Module Cfg Table を参照して順次にオブジェクトを生成 4. 生成したオブジェクトの ID を retvalptr に格納 5. 全てのオブジェクトが生成されたらロード完了 6. 生成に失敗するオブジェクトがあったら各 retvalptr を参考して今まで生成した全てのオブジェクトを削除 Unload は生成したタスクを強制終了してオブジェクトを削除

53 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK Dynamic Application Loader の仕組みアプリケーションモジュールのビルドアプリのローディング操作の流れ Standalone Mode の進んだ使い方 53

54 EV3RT の進んだ使い方 Standalone Mode を使ってより高度な開発ができるプラットフォームの開発 Dynamic Application Loader mruby on ev3rt+tecs ベースシステムのカスタマイズ TOPPERS/HRP2カーネルの全機能が自由に利用できるデバイスドライバミドルウェアの直接アクセス 54

h にまとめてある #define TMAX_APP_TSK_NUM (32) #define TMAX_APP_SEM_NUM (16) #define TMAX_APP_FLG_NUM (16) #define

55 EV3RT の進んだ使い方ベースシステムのカスタマイズ HPR2 カーネルは動的生可能のカーネルオブジェクトの最大数とページテーブルを含む全てのリソースは静的に確保これらのリソースの設定定義の変更は SD カード上の設定ファイルを書き換えるだけでは実現できなくて cfg ファイルを修正してベースシステムのイメージをリビルトする必要がある $ make app=loader カスタマイズ可能な項目は ev3.h にまとめてある #define TMAX_APP_TSK_NUM (32) #define TMAX_APP_SEM_NUM (16) #define TMAX_APP_FLG_NUM (16) #define TMAX_APP_TEXT_SIZE (1024 * 1024) #define TMAX_APP_DATA_SIZE (1024 * 1024) #define TMAX_APP_BINARY_SIZE (1024 * 1024) Dynamic Application Module のリソース制限 55

56 EV3RT の進んだ使い方 HRP2 カーネルの全機能が自由に利用できる Dynamic Loading Mode ではアプリの障害から Loader とベースシステムを守るためにアプリには幾つかの制限が存在全てのオブジェクトは単一のユーザドメイン (TDOM_APP) に属する使用可能な最高優先度 (TMIN_APP_PRI) が存在する Standalone Mode では上記の制限がなくて cfg ファイルでアプリケーションを自由に設計できるメリット HPR2 の全ての機能 ( 動的生成機能拡張を含む ) が使えるデメリット Loader が使えなくなってアプリの更新に手間がかかるカーネルドメインを利用する場合デバッグは難しくなる 56

57 EV3RT の進んだ使い方 HRP2 カーネルの全機能が自由に利用できる複数のユーザドメインの使い道複雑な制御または他の開発者が作成したモジュールが入っているプロジェクトで開発する時開発者はアプリの状態とモジュール間の干渉を全て把握することは困難アプリに不具合が生じた場合全てのソフトウェアモジュールが同じユーザドメインに属すると干渉により根本原因の特定も難しくなるあやしいモジュールと保護したいモジュール ( 例えば制御機能のモジュール ) を別々のユーザドメインに入れることでモジュール障害の波及範囲を限定できるデバッグの支援機能として使える 57

58 EV3RT の進んだ使い方 HRP2 カーネルの全機能が自由に利用できるカーネルドメインの使い道カーネルドメインは主にベースシステムと各種ドライバが動作する保護ドメインとしているが HRP2 カーネルには幾つかのカーネルドメインでしか使えない機能が存在する TOPPERS 標準の周期ハンドラアラームハンドラ : ユーザドメインの周期ハンドラ機能と比べてオーバヘッドが小さい動的生成機能拡張 (DCRE) 割込み管理機能 ( 高精度アラーム機能等 ) 優先度の制限がなくなった信頼できる制御タスク等を Bluetooth( 高 ) や LCD のタスクより高い優先度に設定してリアルタイム性を向上できる 58

59 EV3RT の進んだ使い方デバイスドライバミドルウェアの直接アクセスアプリ開発の利便性を向上するために Bluetooth や FatFS のドライバ機能が標準 C ライブラリ経由で使う学習コストがなくなった反面フル機能も使えなくなった例えば標準 Bluetooth スタックの BTstack は Bluetooth Personal Area Network Bluetooth HID => キーボードゲームコントローラ等 Bluetooth OBEX => ファイル転送サービス等様々なプロトコルも対応 59

60 EV3RT の進んだ使い方デバイスドライバミドルウェアの直接アクセスデフォルトでは EV3RT の Bluetooth 機能は仮想シリアルポート (SPP) のサーバとして動作しているパソコンからの接続ができるが EV3 間の通信はできない EV3RT には SPP サーバ (bluetooth_spp_slave.c) の他に SPP のクライアント (bluetooth_spp_client.c) のサンプルコードもある Experimental の機能なので PIL と API はまだ存在しない現時点ではクライアント機能を使って他の EV3 と通信したい場合直接に Btstack の API でクライアントのパケットハンドラを作成する必要があるので Standalone Mode でしか利用できない 60

61 ご清聴ありがとうございました 61

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ERTLテンプレート EV3RT の内部構造と進んだ使い方 β 6 ー 2 2016 年 6 月 11 日名古屋大学大学院情報科学研究科高田本田研究室博士課程 2 年李奕驍 1 発表内容 EV3RT の内部構造の解説アーキテクチャの概要ベースシステムの解説ユーザアプリケーションとSDK 動作ローディング機能 Dynamic Module Loader アプリケーションモジュールアプリのローディングの流れ進んだ使い方