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2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 1

1. MINDSTORMS NXT用 TOPPERSプラットフォームの概要

大山博司

TOPPERS プロジェクト TECS WG 主査

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アジェンダ

• NXTソフトウェアプラットフォームの歴史

• MINDSTORMS NXT用TOPPERSプラットフォーム

• MINDSTORMS NXT用 TOPPERS/ASP+TECSプラットフォームの概要

– 基本構造

– メモリマップとアップロード方法

– ツールチェーン

– NXT用ASP+TECSプラットフォームのコンポーネント

• モデルからTECSへの変換


NXTソフトウェアプラットフォームの歴史

TOPPERS/JSP

MINDSTORMS NXT用 TOPPERSプラットフォーム

NXT Platform on ASP+TECS

NXT Platform on JSP nxtOSEK/JSP

leJOS NXT

TOPPERS/ASP

TOPPERS/ATK1

NXTソフトウェアプラットフォーム

TOPPERS提供RTOS


MINDSTORMS NXT用TOPPERSプラットフォーム

ベース正式名称略称

TOPPERS/JSP

MINDSTORMS NXT用 TOPPERS/JSPプラットフォーム

NXT用JSP プラットフォーム

MINDSTORMS NXT Platform based on TOPPERS/JSP

NXT Platform on JSP

TOPPERS/ASP+TECS

MINDSTORMS NXT用 TOPPERS/ASP+TECSプラットフォーム

NXT用ASP+TECS プラットフォーム

MINDSTORMS NXT Platform based on TOPPERS/ASP+TECS

NXT Platform on ASP+TECS

これらを総称して「MINDSTORMS NXT用 TOPPERSプラットフォーム」と呼ぶ

2012/06/02

TECS Library (tecs_lib)

TOPPERSプロジェクト認定 5

NXT用ASP+TECSプラットフォームの基本構造

走行体（サンプル）プログラム

TOPPERS ASP+TECS

デバイスドライバ

Balancer Library

NXTソフトウェアプラットフォーム

走行体ハードウェア（MINDSTORMS NXT)

2012/06/02

NXT BIOSと拡張NXTファームウェア

• NXT用ASP+TECSプラットフォームは、拡張NXTファームウェアとNXT BIOSの両方に対応している

• 切り替えは、target_lib_inst.cdl 内で行う

– 拡張NXTファームウェアを使用する場合には、 ram_only.cdlをimportする

– NXT BIOSを使用する場合には、 ram+rom.cdlをimportする


tecs_package¥asp+tecs¥tecs_lib¥mindstorms_nxt¥target_lib_inst.cdl


拡張NXTファームウェア使用時のメモリマップ

100000h

200000h

SRAM(64Kbyte)

Flash(256Kbyte)

拡張NXTファームウェア

ASP+TECアプリケーション

参考： http://lejos-osek.sourceforge.net/nxtOSEK_hack.htm#MemoryLayout


NXT BIOS使用時のメモリマップ

100000h

200000h

SRAM(64Kbyte)

Flash(256Kbyte)

NXT BIOS(32KBytes)

ASP+TECアプリケーションで使用するRAM領域

参考： http://lejos-osek.sourceforge.net/nxtOSEK_hack.htm#MemoryLayout

108000h

ASP+TECアプリケーション


NXT用ASP+TECSプラットフォームのツールチェーン

ソースコード

（.c, .hファイルなど）

TECS ジェネレータ（tecsgen）

GNU ARM

ツールチェーン

ソースコード

（.c, .hファイルなど）

ファイル

ツール

データの流れ

ソースコード

（.c .hファイルなど）

実行形式メモリマップ

ファイル等

RTOS, ライブラリ

（.c .hファイルなど）設定ファイル

（リンカスクリプト等）

アプリケーションの

コンポーネント記述

（*.cdl）

コンフィギュレーション

ファイル（*.cfg）

コンフィギュレータ

（Cfg.exe）

ビルドツール (make)

Makefile

制御の流れ

開発者の操作

TECSプラットフォームの

コンポーネント記述

（*.cdl）


ビルド方法

• nxtOSEK、NXT用TOPPERSプラットフォームともに「１リンクモデル」を採用しています。

– 用意されたMakefileで簡単に実現できます

• ASP+TECS環境と他の環境との違いは、TECSで定義されている文法に沿った「コンポーネント記述」を行うことができる点です。

– コンポーネントの自作も、提供されているコンポーネントの利用も可能です

• ビルドでは、以下の３つを実行します

– make tecs

– make depend

– make


インストールするツール

ビルド用ツール Cygwin 最新版をインストールすればOKです。

インストールするパッケージの選択は、ほとんどデフォルトでOKです。ただし以下は必須です。

GNU Make 3.81 (nxtOSEKでも使用)

Perl 5.10.0

BINUTILS

GCCまたはGCC-CORE

GNUARM nxtOSEKやJSPでも使用する、GCC-4.0.2 ツールチェイン (bu-2.16.1_gcc-4.0.2-c-c++_nl-1.14.0_gi-6.4.exe)をインストールします

TOPPERS ASP+TECS開発環境

以下のツールが必要です。配布パッケージに同梱されています。

コンフィギュレータ … cfg.exe 1.7.0

TECSジェネレータ … tecsgen.exe 1.0.2.35

ロード用ツール LEGO MINDSTORMS NXT Driver

nxtOSEKやJSPでも使用するツール群をそのまま使用します。したがって、インストール方法も他の環境と変わりはありません。

NeXTTool

Appflash.exe

2012/06/02

TECSの開発動機

• 複雑な組込みシステムに適したコンポーネントシステムが必要である

– コンポーネントシステムにより複数の問題の同時解決が期待できる

– ソフトウェアの見える化

– ソフトウェア部品の流通

– RPCフレームワーク

• 汎用OS用のコンポーネントシステムは普及しているが、組込みシステムようのものは普及していない

– しかし、汎用OS用の組込みシステムでは過剰である

12 TOPPERSプロジェクト認定

2012/06/02

基本コンポーネントモデル

TECSコンポーネントは最小限の機能を持つ

関数呼び出しを行うポート（口）のみを持つ

コンポーネントを組み合わせてプログラムを作成する

TOPPERSプロジェクト認定

cell はコンポーネントのインスタンス cell はattribute.と呼ばれる定数を持つ cell は var (internal variable)と呼ばれる変数を持つ cell はentry port (受け口) を通して機能を提供する cell はcall port. (呼び口) を通して機能を利用する関数の集合を signature と呼ぶ cell は celltype.に属する celltype は属するcellの特性を決定する

TECS コンポーネント図

TECS コンポーネントモデル (基本モデル)

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2012/06/02

鍵となる特性

コンポーネント(cell) は静的に配置(生成)され、結合される

静的だが柔軟であるリンケージの決定による（次のスライド）

小さなオーバーヘッド

ソースコードからビルドする define (マクロ) によってリンケージを解決する

コンポーネントはソースコードでの流通となる（バイナリ形式は別途）

オーバーヘッドの最小化は最適化による

振舞いはC言語により記述

オブジェクト指向プログラミング（言語）は不要


2012/06/02

リンケージの決定

通常のC言語の場合

リンケージはプログラムの記述時に決定される呼び元の関数は、どの関数を呼び出すかを決定する

TECSコンポーネントの場合

リンケージは、コンポーネントを用いてソフトウェアを組上げる段階で決定される

TECS コンポーネント記述言語(TECS CDL)により組上げを記述する

リンケージはC言語のプログラム記述時には決定されない

TECSジェネレータの生成するマクロによりリンケージが変えられる


2012/06/02

リンケージの決定 (2)

もしコンポーネント間の関係が単純ならば、呼び口関数は、直接受け口関数に結合される

もしコンポーネント間の関係が複雑ならば、vtable(関数テーブル)が使用され、実行時に結合が決定される


2012/06/02

TECS 仕様

TECS コンポーネントモデル

TECS コンポーネント図

TECS コンポーネント記述言語 (TECS CDL)

TECS コンポーネント実装モデル

これらは TECS WG により策定作業が行われている


2012/06/02

TECS の実装

TECS ジェネレータ

TECS CDL からインタフェースコードとcell を定義するコード(C言語)を生成する

プラグインを適用する RPC プラグイン, Trace プラグイン, etc

TOPPERS/ASP+TECS

RTOS のカーネルオブジェクトを TECS のセルタイプとして定義したもの

これらの実装は TECS WG により行われている


2012/06/02

その他の鍵となる特性

コンポーネントシステムの下に隠さない

メモリアロケーター

RPC チャンネル

RTOS カーネルオブジェクト

小さな組込みシステムにも向く

Inline関数実装

ROM化コード


2012/06/02

メモリアロケータ

• 呼び元の cell がアロケートし呼び先の cell が解放 (send)

• 呼び先の cell がアロケートし呼び元の cell が解放

(receive)

tClient Client

tServer Server

tAllocator Allocator


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RPC: Remote Procedure Call

tClient Client

tServer Server

tClient Client

tServer Server

tRPCChannel RPCChannel

tRPCChannel RPCChannel

tMarshaller Marshaller

tClientchannel ClientChannel

tServerChannel ServerChannel

tUnmarshaller Unmarshaller

tTask Task

RPC channel は下図のようなコンポーネント

RPC プラグインにより挿入

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このチャンネルのコンポーネント図は、正確ではありません。TDRセルが省略されているなど

TOPPERSプロジェクト認定

2012/06/02

カーネルオブジェクト

オーバーヘッドが小さいため、カーネルオブジェクトのような小さな粒度のものもコンポーネントとして扱える

セマフォがどのタスクに共有されているか可視化されている


2012/06/02

メッセージ

• TECS コンポーネントにメッセージを扱うポートはない

• 以下のようにコンポーネントを割り込ませることで実現する

• オーバーヘッドが小さいためコンポーネントとして扱える


2012/06/02

コンポーネント記述の３要素


要素名記述方法内容

シグニチャ signature s*** セルタイプが提供する外部インターフェースを定義する。Javaでいうインターフェースに該当。

セルタイプ celltype t*** C++やJavaでいうクラス定義に該当。シグニチャを利用して呼び口、受け口を定義する他、属性（attribute）も定義する。

セル cell t*** セル名概念的にはインスタンス。ただしTECSのセルの記述においては、セル間の結合を記述する。これはC++やJavaで「コンストラクタ」にて行う、インスタンス間の結合処理に該当。この記述に基づいて「静的に」コンポーネント間の結合を実現するCソースコードが生成される。

以上の３要素を、Component Description Language(CDL)を用いて記述します。

2012/06/02

競技に使用するハードウェア構成


超音波センサ

USBコネクタ

ディスプレイ

右DCモータ右ロータリーエンコーダ

左DCモータ左ロータリーエンコーダ

光センサ

タッチセンサジャイロセンサ

2012/06/02

ハードウェア内部構成


• ハードウェア構成のイメージ図

Bluetooth

LCDディスプレイ

サウンド

ボタン

バッテリセンサ

メインプロセッサ

コプロセッサ

センサポート

モータポート

USART1SPI

SSCTWI PIOA

I2C


NXT用ASP+TECSプラットフォームのコンポーネント

2012/06/02

カーネルに関するコンポーネント


Task

kernel.cdl

ISR

CyclicHandler

AlarmHandler

Semaphore

InitializeRoutine TerminateRoutine

ConfigInterrupt

CyclicTaskActivator CyclicTask

Eventflag Dataqueue Priority

Dataqueue

FixedSizeMemoryPool

Kernel

ISRWithConfigInterrupt

2012/06/02

TECSのカバー範囲


QAC デバッガ

UML

• TECSがカバーできる設計領域の範囲

分析

実装

デバッグ

検証

※Cやアセンブラが実装のほとんどすべてをカバーできるのに対し、他はすべてをカバーするものではない

C アセンブラ TECS

UMLは Object Management Group Inc.の,QAC はProgramming Research社の商標または登録商標です


モデルから TECS への変換

• クラス図もしくはオブジェクト図などの構造モデルから、TECSコンポーネントとして実装するコンポーネントを抽出する

• 抽出した各コンポーネントをCDLを用いてプログラミングする

– シグニチャを、クラス図のメソッド定義を元に記述する

– セルタイプを、クラス図のクラス定義や関連を元に、前述のシグニチャ定義を利用して記述する • 自作コンポーネントにて、NXT用ASP+TECSプラットフォームのコンポーネントを利用する際には、使用するコンポーネントのセルタイプ記述を含む.cdlファイルをimportする

– セルを、オブジェクト図を元に記述する • オブジェクト間の結合を元に組上げ記述を行う

• Tecsgenを用いてCソーステンプレートを自動生成後、エディタ等で中身を記述し「セルタイプコード」を完成させる

詳しくは２～４章にて


著者リスト

• MINDSTORMS NXT用 TOPPERSプラットフォームの概要

• 森孝夫

• 大山博司（オークマ株式会社，ＴＯＰＰＥＲＳプロ

ジェクト TECS WG主査）

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