組込みシステムにおけるリアルタイムOSの意義と，リアルタイムOSの一種であるTOPPERS/SSPの紹介

1. リアルタイムOS の必要性と
TOPPERS/SSP の紹介

2. • この資料は，数年前に某所で開催したセミナーの
資料の焼き直しです．
– 正直，話が古い部分もあると思います
• TOPPERS/SSPカーネルの紹介
– SSPカーネルとはどのようなものか
• 対象
– SSPカーネルに興味のある方
– 前提：C言語の基礎知識
• 内容
– 前半：リアルタイムOSとは
– 後半：SSPカーネルとは(使い方は別スライドでまた)
この資料について
2

3. • TOPPERS/SSPカーネルとは
– TOPPERSプロジェクトで公開されている
– 小規模組込みシステム向け
– リアルタイムOS
です．
• SSPカーネルの説明に入る前に，簡単に
背景を説明します．
– 組込みシステムとは，リアルタイムOSとは
– TOPPERSプロジェクトとは
TOPPERS/SSP とは
3

4. • 参考文献「12ステップで作
る 組込みOS自作入門」
– 初学者におすすめ
– この本があればこのスライド
のRTOSの説明いらないか
も...
http://kozos.jp/books/makeos/
そのまえに
4

5. 前提とする組込みシステム
5

6. 組込みシステム
• 各種の機器に組み込んで, その制御を行う
コンピュータシステム
– 以前では，パソコンやワークステーションで
はないコンピュータシステムはほぼ該当
* ぶっちゃけ，範囲広すぎ
– 分類の難しいシステムもある(携帯電話とか)
• 専用化したコンピュータシステム
– この意味だと，測定器につながれたパソコン
も組込みシステムになる
6

7. • 「TOPPERS開発成果物の採用事例」より
http://www.toppers.jp/applications.html
たとえば
デジタルピアノ
CASIO PX-850BK
HDDデュプリケータ
株式会社ワイ・イー・シー
Demi PG520
ロケット
JAXA H-IIA型
ジェルジェットプリンタ
リコー IPSiO GX e3300
7

8. • コンピュータ内蔵，プログラム制御
– プログラムでシステムを高付加価値化
– なにがしか実世界との接点がある
• 特定の機能だけをもつ専用機
いずれも
8

9. • システムにより(ハード・ソフト)構成が異
なる．
• 機能は動作中に変化しない．
– 目的に専用化
• 時間制約に従う (リアルタイム性をもつ)
– 動作環境や制御対象に合わせて動作できる
* 単純に「速い」ということではなくて
– 動けない場合でもひどい結果にならない
組込みシステムの特徴
9

10. たとえば．．．
– 実行開始のタイミング
* 周期的，非周期的
– デッドライン（締め切り）
* ハード，ソフト
* ファーム(firm)
– ジッタ（タイミングの揺れ）
* 絶対的，相対的
とか．．．
（ちょっと脱線）時間制約って？
時間
T T T T
T1 T2 T3 T4
d
Δt
Δt
10

11. • システム機能を実現するいくつかの「ア
プリケーションプログラム」からなる．
– たとえば
• プログラム構成はシステム毎に異なり，
設計時に決まる．動的に変化しない．
• プログラムは事前に検証され，システム
に悪影響を及ぼさないことを前提とする
組込みソフトウェアの特徴(1)
入力
処理
入力 出力
計算
処理
出力
処理
プログラム
モータ
制御
パルス
データ
PWM信号
シリアル
モニタ
コマンド
データ
結果
出力
11

12. • 多くの場合，プログラムは並行してサー
ビスを提供する．なので，適切な処理の
切り替えが必要
• システムの時間制約を満たすように動か
すこと
組込みソフトウェアの特徴(2)
入力 出力
入力 出力
入力 出力
入力 出力
時間
12

13. そこで，リアルタイムOS？
13

14. • OSとは，プログラムの実行を管理するソ
フトウェアのこと．
– プログラムを「開始」とか「停止」とか「終
了」とか
• 同時に動作する複数のプログラムの実行
を管理するために利用される．
「同時に動作する」といっても単一プロセッサでは同時に一つしか動かせ
ません．ここでは「同時に動作状態にある」とでも思っていただけると
まず,OS(Operating System)とは
14

15. • システムごとにハード構成が異なる．
• そのため，OSはプロセッサや割込みコン
トローラなど「最低限の構成」を前提に
「最小限の機能」だけが提供される．
– 保護機能も必須ではない．リアルタイム性の
観点からできる限り省かれる．
• システムがリアルタイム性を求められる
ため，その実現に適した機能を持つ．
– で，結局それは リアルタイムOS ということになる...
組込みシステムのOS
15

16. RTOSを使いたくなる状況までを
順番に追ってみる
16

17. • 例１）0.5秒周期で動作するプログラム
– 例えば機器の稼働状態を示すLED点滅とか
– 時間経過はポーリングでチェック
ポーリングによるループ処理
task1
void main () {
while(1) {
if(0.5秒経過?) {
task1();
}
}
}
void task1() {
/* 処理*/
}
0.5s
main
17

18. • 例２）処理を追加
– シリアルからデータを随
時受信．
– 受信毎に，対応するコマ
ンドを実行．
– 処理(console_task)が短い
うちは特に問題ない
ポーリングによるループ処理
task1
void main () {
while(1) {
if(0.5秒経過?) {
task1();
}
if(シリアル受信?) {
console_task();
}
}
}
console_task
18

19. • 例３）時間のかかる処理が追加された
– 周期処理が遅れる（または取りこぼす）可能
性がでる
ポーリングによるループ処理
task1
void main () {
while(1) {
if(0.5秒経過?) {
task1();
}
if(シリアル受信?) {
console_task();
}
}
}
void console_task () {
if(メモリダンプ?) {
/* ダンプ処理(長い) */
}
else if(コマンド?) {
/* 他のコマンド処理 */
}
}
console_task
19

20. • 対策案）0.5秒ごとの周期処理を優先的に
実行したいなら，それを割込み処理にす
る
割込みによる解決
handler1
void main () {
while(1) {
if(シリアル受信?) {
console_task();
}
}
}
void console_task() {
if(メモリダンプ?) {
/* ダンプ処理 */
}
else if(コマンド?) {
/* 他のコマンド処理 */
}
}
console_task
void handler1() {
/* 処理 */
}
0.5秒タイマー
20

21. • あるプログラムが，それまで動いていたプロ
グラムの間に割り込むこと
– それまでの処理を一時中断して別の処理を実行
し，その後，中断したプログラムを中断した時点
から再開すること
– 割込みを使用すると，動作順序に関連性のない独
立した逐次処理の流れが発生する
– 割込みは優先度というパラメータを持ち，高い優
先度をもつ割込みが先に実行される
割込みとは
スイッチ
タイマ
タイマ
割込み
処理
スイッチ
割込み
処理
割込み発生！
割り込まれるプログラム
割込み処理プログラム
処理を保留
21

22. • プロセッサの利用効率を上げる
– 通常、デバイスの動作はプロセッサより遅い
– 外部の変化を検出するために常に確認するの
は効率が悪いため変化した時に教えてもらう
割込みを利用する目的
確認
処理2
処理1
処理2
処理1
22

23. • 割込みが発生すると，プロセッサへ非同期に電気
的な信号(割込み信号)が送られる
• プロセッサは割込み信号を受け取ると、実行中の
プログラムを中断し，割込み処理プログラムを開
始する
• 割込み処理プログラム実行中，それよりも高い優
先度を持つ割込みが発生した場合には処理が中断
され，高い優先度をもつ割込み処理プログラムが
開始される
• 割込み処理プログラムが終了するとプロセッサは
中断していたプログラムを再開する
割込み発生時の処理の流れ
割込み発生！
割込み処理プログラム
処理を保留
割込み信号
23

24. • 例４）割込み処理を追加(優先度:高)
– 取りこぼすかもしれないため入力を早く受け
付けたい．でも，処理完了に時間がかかる．
追加したいものがそういうものだったとしましょう．
– 処理時間が長くて，優先度の高い割込み処理
を追加すると，そのぶん他の割込みの受付が
遅くなることがある それでよいか？
割込みの追加と問題点
handler1
console_task
handler2
24

25. • 困るならば，プログラムを「先に処理し
たい」部分と「後で行う」部分に分けて
みる
– 急ぐ部分だけを割込み処理にする
処理の分割
プログラム
入力 出力
急ぐ処理
後で行う
処理
出力入力 通知
25

26. • 対策案）一部をメインループへ移動
– handler1 の割込み受付の遅れは最小限に
– これで解決，しかし．．．
割込みによる解決
handler1
console_task
handler2
task2
handler2では最低限の処理と
task2への通知を実施
26

27. • 移動された(時間のかかる)処理は，最悪ルー
プ1周するまで実行を待たされることがある
– 結局，元の問題に戻った
– メインでなく低優先度の割込み処理とかすれば良
いのでは?それも正解ですが優先度数には上限が．
割込みによる解決
void main () {
while(1) {
if(シリアル受信?) {
console_task();
}
else if(task2開始条件?) {
task2();
}
}
}
handler1
console_task
handler2
task2
最低限の処理とtask2への通知
27

28. • 対策案）長い処理は一定量処理して戻す
定期的な処理の切り替え
void console_task(void) {
static int dump_run = false;
if(メモリダンプ? || dump_run) {
dump_run = dump(dump_run);
}
/* 以下，省略 */
}
int dump(int cont) {
if(cont) {
/* 中断前の状態に戻す */
goto loop: // 再開
}
while(データ残ってる?) {
loop:
/* データ出力 */
if(中断回数？) {
/* 状態保存 */
return true; // 継続中
}
}
return false; // 終了
}
handler1
console_task
handler2
task2
main
28

29. • プログラムの切り替え処理をいちいち埋
め込むのはとても煩雑
– プログラム追加毎に必要
– 計算量もそのつど決定
でも
void dump(void) {
while(データ残ってる?) {
/* データ出力 */
}
return;
}
本来行いたい処理
int dump(int cont) {
if(cont) {
/* 中断前の状態に戻す */
goto loop: // 再開
}
while(データ残ってる?) {
loop:
/* データ出力 */
if(中断回数？) {
/* 状態保存 */
return true; // 継続中
}
}
return false; // 終了
}
29

30. • 割込みを利用することで，急ぐ処理を優先的
に実行開始できる．
• プログラムを割込み処理とメイン処理に分け
ることで，割込み受付の遅延を尐なくでき
る．
• しかし，メインループの処理には優先度がな
いため，急ぐ処理が先に実行されることが保
証できない．
– デッドラインを守る上においては重要である．
ここまでの課題を整理
割込み処理A
割込み処理B
タスクA
タスクB
割込みA
割込みB
通知
通知
30

31. • 先に実行させたいタスクに高い優先度を
設定することで，先に実行させることが
できる．
– 優先度の低いタスクが動いていても関係ない
RTOSによる解決
void task2() {
/* タスク処理 */
}
void handler2() {
iact_task(TASK2); // 起動
}
void console_task () {
/* コマンド処理 */
}
handler1
console_task
handler2
task2
task2 起動
31

32. • RTOSを使うと
– メインプログラムの間に割込みのような優先
度を持たせ，急ぐ処理を常に先に実行でき
る．
– 複数のプログラムを並行に動作させた上でリ
アルタイム性が検討できるようになる
– プログラムの共通的な切り替え処理をOSとし
て分離できる．その結果，各プログラムの独
立性が高まり，保守管理が楽になる．
ということができる
RTOSのメリットまとめ
32

33. • 実行開始のタイミング
– 周期ハンドラ＋タスク起動
– 割込み＋タスク起動
• デッドライン（締め切り）
– スケジューリング規則と優先
度設定で最悪処理時間を調整
• ジッタ
– スケジューリング規則と優先
度設計で開始タイミングの遅
れの程度を調整
– (RTOSとは関係ないけど)処理が一定時間で終わる
ようなソフト設計とか，ハード設計とか
RTOSの時間制約への寄与
時間
T T T T
T1 T2 T3 T4
d
Δt
Δt
33

34. • 全ての利用者やプログラムに平等に計算
機資源を提供するという考え方に基づく
ため，リアルタイム性が保証できない
– TSS（タイムシェリングシステム）
– 実際には，リアルタイム性をもたせるための
拡張機能を取り込んでいる場合もある．
• 必要メモリ量が多すぎる．
– 最低でも1MBはRAMが必要というのでは，
RAMが尐ないシステムでは使えない．たくさん積
んでるなら良いけど
汎用OSではなぜダメか
34

35. • ハードウェアは年々変化する．開発の都
合でハード変更が必要となる場合がある
• ハードウェアが異なれば，割込み系な
ど，そのハードの定義や挙動も異なる．
• その都度システムが同じ振る舞いをする
かどうかの検討が必要となる．
• OSという共通の枠組みを使うことで，OS
移植とアプリ移植を独立に実施できる．
ハードに起因する挙動の違いを枠組みに
そって整理でき，検討しやすくなる．
RTOSの別のメリット
35

36. • 様々なRTOS
– μITRON (TOPPERS/JSP, NORTi など)
– OSEK/VDX (ISO 17356シリーズ)
– その他（QNX，VxWorks, とか）
• OS によっては目的別に機能のサブセット
が定義されている
– (μITRON4.0)スタンダードプロファイル，自
動車制御プロファイル
– (OSEK) BCC1，BCC2，ECC１，ECC2
 ここでは TOPPERS/SSP カーネルを対象にしますが，そういやTOPPERS
まだ紹介してないですね．．．．
様々なリアルタイムOS(RTOS)
36

37. TOPPERSプロジェクト
37

38. • オープンソース開発プロジェクト
– TOPPERSとは Toyohashi OPen Platform for
Embedded Real-time Systems の略
– 2003年よりNPO法人化
• 目的
– 組込みシステム開発で基盤となるソフトウェ
アの提供による産業振興
* 非競争領域をオープンソース化し，企業・個人が
先進的な開発に取り組めるように
– 教育教材の提供による技術者育成
TOPPERSプロジェクトとは
38

39. TOPPERSプロジェクトとは
http://www.toppers.jp/project.html
39

40. • 組込みシステム用RTOS
– TOPPERS新世代カーネル系
* ASP(標準的)
* FMP(マルチコア拡張),FDMP(機能分散マルチプロ
セッサ向け)
* HRP2(高信頼)
* SSP(小規模)
– μITRON系
* JSP(スタンダード), FI4(フルセット)
– 欧州車載系
* ATK1(OSEK/VDX), ATK2(AUTOSAR)
成果物(1)
40

41. • ミドルウェア
– TINET(TCP/IP)，CAN/LIN
– FatFs for TOPPERS (ファイルシステム)
– TECS(コンポーネントシステム)
• 設計・評価用ツール
– カーネル用テストスイート
– TLV(ログ可視化)
• 教育用教材
– 各種セミナー教材，ETロボコン用コンテンツ
成果物(2)
41

42. • TOPPERS開発成果物の採用事例
http://www.toppers.jp/applications.html
開発事例(再掲)
デジタルピアノ
CASIO PX-850BK
HDDデュプリケータ
株式会社ワイ・イー・シー
Demi PG520
ロケット
JAXA H-IIA型
ジェルジェットプリンタ
リコー IPSiO GX e3300
42

43. • オープンソースライセンスである
– だれでもすぐに利用できる
– 製品に取り込みやすい（レポートウェア）
• ITRONで長年培われた技術をベースとし
ており，実績がある
– ITRON(Industrial TRON, TRONはThe Real-
time Operating system Nucleusの略)はトロン
協会により定められた制御機器向けリアルタ
イムOSの業界標準仕様
– 現在では ITRON を改良した TOPPERS新世
代カーネル の開発が行われている
TOPPERSの特徴
43

44. • μITRON仕様の発展版
– 最新版はバージョン1.6.0 (2014/4 現在)
• TOPPERS/ASPが代表例で，他に
FMP, FDMP, HRP2などがある．
• TOPPERS新世代カーネルは TOPPERS新
世代カーネル統合仕様書(以後，統合仕様
書) にまとめて規定されている．
– TOPPERS/SSPカーネルはTOPPERS新世代
カーネルの一種である．したがってSSPカー
ネルは基本的にこの仕様に基づく．
TOPPERS新世代カーネル
44

45. 新世代カーネル統合仕様書
45
※このイメージちょっと古いです

46. • TOPPERSプロジェクトが配布している小
規模組込みシステム用のRTOS
• ASPカーネルと比べて大幅に機能削減
• 2011年11月より一般公開
– 最新バージョンは1.2.1 (2014/4 現在)
• 対応MCU(他にも移植中)
– Cortex-M3
– R8C/M32C
– RX62N
– Cortex-M0(+)(非公式)
https://bitbucket.org/NSaitoNmiri/toppers_ssp_lpc812/
TOPPERS/SSPカーネルとは
TOPPERS/ASP TOPPERS/SSP
ROM RAM
約26KByte
約3KByte
52Byte
31Byte
46

47. ロードマップとSSPの位置づけ
47

48. • 出典：T-Engineフォーラム「2011年度組込
みシステムにおけるリアルタイムOSの利
用動向に関するアンケート調査報告書」
http://www.t-engine.org/ja/2012/tef-rtos2012.html
SSPの開発背景
48

49. • RTOSサイズに関する利用動向
– この数年，小規模システムの割合はあまり変
化がない
– 64KB未満のプログラムサイズが約19%を占
め，前年比でも減尐していない．
* RAMはたいていの場合，それよりさらに尐ない
– 今後も一定の割合で存在すると仮定
* メモリ増大化でこの仮定が崩れつつあるのではという気もする
• 従来のTOPPERSのRTOSではRAMの極め
て尐ない組込みシステムには適用が困難
– JSP や ASP が求めるリソースが小規模シス
テムには大きい．
SSPの開発背景
49

50. ※ 基本，拡張，独自追加の各機能に大別
• 基本機能
– μITRON4.0仕様「仕様準拠の最低条件」を元
に，TOPPERS新世代カーネルの機能をサブ
セット化
* 最低限のタスク管理(タスクには待ち状態がない)
* 割込み管理，CPU例外管理，システム状態管理
SSPカーネル仕様の特徴(1)
μITRON4.0仕様
TOPPERS
新世代カーネル仕様
TOPPERSが
独自に拡張
(共通部分)
基本機能
独自拡張部分
(SSPのみ)
SSPカーネ
ル拡張機能
仕様準拠の
最低条件
50

51. • RTOSがμITRON4.0に準拠しているという
ために最低限必要な機能および仕様を定
めたもの
1.静的APIおよびサービスコールのサポート
* CRE_TSK タスクの生成
* (i)act_tsk タスクの起動
* ext_tsk 自タスクの終了
* DEF_INH 割込みハンドラの登録
2.μITRON4.0仕様のスケジューリング規則に
沿ったスケジューリングを行うこと
* 優先度ベースおよびFCFS(First Come First
Service)のスケジューリング
参考：仕様準拠の最低限の条件
51

52. • 拡張機能 (不要なら外すことが可能)
– 時間管理機能({周期，アラーム}ハンドラ)
– 同期・通信機能（データキュー，イベントフ
ラグ）
• 独自追加機能(SSPのみに存在する機能)
※システム全体のプログラムサイズを最小化す
るために有用な機能
– 共有スタック領域，実行時優先度
• TOPPERSの他のカーネル（ASPカーネル
など）が上位互換性を持つように配慮し
ているが，完全な互換にはなっていない
SSPカーネル仕様の特徴(2)
52

53. • 対象とするプログラム規模
– 実行プログラムサイズが数KB～数十KB程度
* ASPカーネルでは数十KB～1MB程度
– 尐し小さめのシステムにも適用可能
* 例えば ROM6KByte，RAM2KByte程度でも可能
* ROM4K, RAM1Kに挑戦中だが現状ちと厳しい
• プログラム機能
– 複雑な制御を必要としないシステム
* タスクスケジューラ，割込み管理で十分な場合
• OS導入ステップ
– リアルタイムOSを導入したいが，導入障壁が
高いと感じている開発チーム
SSPカーネルの適用範囲
53

54. • 組込みシステムはコンピュータシステム
であり目的に専用化されたRTSである
• 組込みソフトウェア開発ではリアルタイ
ム性を確保する点でRTOSが便利である
• RTOSは標準仕様品を使う意味での利点も
ある．選択肢の一つとしてTOPPERSの
カーネルを利用するという方法がある．
• TOPPERS/SSPカーネルはTOPPERSプロ
ジェクトの組込みシステム向けRTOSの一
つであり，小規模な点が特徴である．
まとめ
54