2014 1018 OSC-Fall Tokyo NETMF

オープンソースカンファレンス 2014 Tokyo/Fall

2014/10/18 ドットNETまいくろバンザイ倶楽部 1

ドットNETまいくろバンザイ倶楽部

日高亜友

- IoT 時代の組み込みOSの主役 -

[email protected]

オープンソースになったマイコン開発環境.NET Micro Frameworkの紹介。

ドットNETまいくろバンザイ



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セッション内容

.NET Micro Frameworkとは？

新プラットフォームへの移植

組み込みアプリケーション開発とIoT




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.NET Micro Framework とは？

Microsoft Research開発の組み込みOS

Visual C# / Visual Basicで開発した IL

.NET アセンブリを中間コードインタプリタで実行

豊富なドライバとライブラリを標準装備

オープンソース・ライセンスで公開(Apache V2)

30種以上のプラットフォームに移植されて動作

.NET Micro Framework (NETMF) 移植済みSOC

業務アプリケーション・システム応用事例



ドットNETまいくろバンザイ .NET Micro Framework の歴史

2001年 V 1.0

SPOT Watch / MSN Direct Service

（Microsoft リサーチ）

2006年 V2.0Windows SideShow Device

2008 年 V3.0 , 3.5 for Network

2010年 V4.0 for Open Source

2011年 V4.2 for Visual Basic

2012年 V4.3 for Visual Studio 2012

2014年 V4.3-R2β for Visual Studio 2013/20142014/10/18 5ドットNETまいくろバンザイ倶楽部



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NETMFの本質

本来は、Windows CE 未満のプラットフォーム用

組込みシステム向け製品となるはずだったOS

（かつては）移植キット販売済

（かつては）製品ライセンス販売予定

2010年にオープンソース化

Apache V2 ライセンス→無償で商用利用可能

競合OSの台頭

⇒製品相当の機能・性能・品質を無料で公開

2014年末に何かが起こるかも？



ドットNETまいくろバンザイアーキテクチャ

全体構成

2 種類の実装方法- Native Platform

- “OS on OS” solution


アプリケーション開発ライブラリ開発

プラットフォーム移植

CLR: Common Language Runtime

HAL: Hardware Abstraction Layer

PAL: Platform Abstraction Layer


ドットNETまいくろバンザイ OSとしての提供機能

IL（.NETのアセンブリ）の実行環境 = TinyCLR

タイマ, 割り込みハンドラ, マルチスレッド,

スケジューラ

ブートローダ, 各種デバイスドライバ, リソースマネージャ

組み込み環境対応

MMU 不要

最小 64KB RAM / 256KB ROM (特別な環境)

標準サポート ARM7/9/Cortex-M3, Blackfin, SH-2/2A

サポート機能

ブートローダ, アプリケーションローダ, デバッガIF 2014/10/18 8ドットNETまいくろバンザイ倶楽部



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ドライバとサービス

Cache

Ethernet, WiFi

GPIO

I2C

INTC

LCD / Display

Piezo / Speeker

PMC

SDRAM

SDCARD / MMC

SPI

Thermistor

TIME (RTC)

TIMER

USART

USB Client

Backlight (GPIO,SPI)

BatteryCharger / Measurement

BlockStorage (Flash, SD)

Buttons

COM

DPWS

Gesture

Font, Graphics

HTTP

Ink

Interop

FileSystem (FAT)

Security, Crypto

TCP/IP, Socket, RPC, SSL

Touch Panel (Multi Touch)

XML

デバイスドライバデバイスコントローラ



ドットNETまいくろバンザイプラットフォームとアプリケーション

自作ボードや未サポートボードに移植

CQ出版等の移植事例（参考資料）

周辺ハードウェアを自作して動作

容易に接続可能→.NET Gadgeteer

ライブラリやシステムを開発・改造

Emulatorの開発、独自モジュールの開発

連係システムやアプリケーションを開発

他のシステムとの接続

PC, Smart Phone, Cloud連係




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SDK vs. PK (Porting Kit)

SDK: 組み込みアプリケーション開発アプリケーション開発に必須

Visual Studio / VC# Express に組み込んで使用

Simulator, Debugger, Deployment Tools を含む

PK：動作プラットフォームの構築（移植） .NET Micro Framework の移植に必須

ほかにクロスコンパイラ（＋デバッガ）が必須

ツール類を含めた全ソースコードが提供

ほとんどを C++ で記述（一部アセンブラ, C, C#）ドットNETまいくろバンザイ倶楽部

バージョンを合わせる必要がある




新プラットフォームへの移植


ドットNETまいくろバンザイ移植方法の選択

Native実装 TinyCLR直接実装 VS. TinyBooter実装

TinyCLR / TinyBooterのメンテナンス手順が必須

他のブートローダ利用 U-Boot, T-Monitor (T-Engine)等

Network ブート

OS on OS

他のOSのアプリケーションとしてNETMFを実装

ソースコードが公開されているので実際にはどの様にでも作ることが可能


TinyBooter = NETMF専用ブートローダ

Monoへのエクスポート



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サポート・プラットフォーム PK が用意しているサポート・テンプレート（標準サポート環境）

BF537 -- ADI Blackfin

EA_LPC2478 -- NXP LPC2478 (Embedded Artists LPC2478 4MB / 512KB)

iMXS -- MC9328MXS (32MB RAM / 8MB Flash ROM)

MCBSTM32E – STM32F103 Cortex-M3 (KEIL MCBSTM32E 8MB / 1MB)

MOTE2 -- Marvell PXA271 (Crossbow imote2)

PCM023 -- NXP LPC22xx ARM7

SAM7S_EK -- Atmel AT91SAM7S256 (64KB RAM / 256KB Flash ROM)

SAM7X_EK -- Atmel AT91SAM7X512 (128KB RAM / 512KB Flash ROM)

SAM9RL64 -- Atmel AT91SAM9RL64EK (64MB RAM / 256MB Flash ROM)

SAM9261_EK -- Atmel AT91SAM9261EK (64MB RAM / 256MB Flash ROM)

SH7216_RSK -- SH-2A 16MB SRAM / 1MB Flash ROM

SH7264_M3A_HS64 -- SH-2A 64MB RAM / 516MB Flash ROM

SH7264_RSK -- SH-2A 64MB RAM / 64MB Flash ROM

SH7619_EVB -- SH2 8MB RAM / 4MB Flash ROM

STM32Stamp -- STM32F103 Cortex-M3 (ET-STM32 Stamp 512KB RAM / 64KB)

Windows2 -- Windows Emulator

そのほか公開されている事例 STM32F4 -- STM32F4-Discovery, Netduino Plus, FEZ Cerberus Oberon microsystems

FM3/FM4 -- SK-FM4-U120-9B560, MB9BF506, CQ_FRK_FM3 ksekimoto

RX62




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移植前のチェック

ターゲット・プラットフォーム

RAM/RAM容量（ROM不足は RAMで代用可能）

CPU アーキテクチャ

gcc利用時の最低メモリ目安

RAM 256KB / ROM 512KB (Thumb / Thumb2 命令)

コンパイラとデバッガ

Windows上で動作するクロスコンパイラ

Windows上で動作する JTAG-ICE デバッガ

Native 実装 vs. “OS on OS” 実装

ターゲット・プラットフォームの適正ドットNETまいくろバンザイ倶楽部



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移植に必要な知識

組み込みシステム全般割り込み処理, 割り込みVector, Cache, MMU, PLL

ブートローダ

移植対象のCPU, ターゲット・ボードデータシート, 回路図, メモリマップ, クロック

ツール Toolchain（コンパイラ, アセンブラ, リンカ, ライブラリアン）

C, C++, CPUのアセンブラ命令, コマンドプロンプト, VB Script

デバッガ, JTAG ICE, Eclipse, OpenOCD+GDB

OSアーキテクチャとリソース管理メモリ, タイマ, 割り込み, イベント

.NET Framework と CLR




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ソフトウェア環境とツール

Visual Studio 2012 (VC++ 2012 exp, VC# 2012 exp も可)

Windows SDK 8.0 (MSBuild)

.NET Micro Framework 4.3 SDK (QFE1)

.NET Micro Framework 4.3 Porting Kit (QFE1)

クロスコンパイラ, デバッガ

推奨は ARM RVDS, KEIL MDK

gccは CodeSourcery arm-2014.05-28 (GCC 4.8.3まで)

一部ソースコードが非対応なので自力で問題解決

クロス開発統合環境

Eclipse (自分で作る場合も…)

ソースコード管理

7zip, WinMerge, VSS, svn, …ドットNETまいくろバンザイ倶楽部



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ハードウェア環境とツール

JTAG ICE, またはOpenOCD ICE

対応CPUやボード構成をよく確認する

Flash ROM書き込みツール（必要に応じて）

ブートローダ開発環境（必要に応じて）

評価ボード（ターゲットが利用できない場合）

測定器、信号観測ツール




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移植の主要作業

開発環境構築と基本設計

環境変数設定＆クロス開発用ビルドスクリプト作成

メモリ割当て設計＆Scatter ファイル設定

Solution の作成

ビルド＆デバッグ

NativeSampleを動作させる

ブートローダ, 初期化処理 (Clock, Cache, MMU, PLL)

ドライバ, PAL IF (Flash ROMドライバ開発必須, UART)

TinyCLRの動作

TinyBooter, アプリケーション・ロードとデバッグIF




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InterOpの実装

NETMF標準APIに無いOS機能をアプリケーションから呼び出す

使用方法

標準APIに無いドライバの実装

例：USB Host ドライバ, Flash ROM管理,

クリティカルな処理をCまたはアセンブラで記述してアプリケーションから呼び出す

実装方法 C#でAPIを記述、コードをC/C++/アセンブラで記述

パラメータ、リターン値、非同期処理、イベントが利用可能





ビルド&デバッグ

NativeSample

Native Code での”Hello world” 表示出力

ビルド環境の検証（自由にカスタマイズ可能）

ドライバ類の初期化&動作の検証

TinyCLR

.NET Micro Frameworkの移植対象・本体

実行にはIL （コンパイル済アセンブリ）が必須

Product\Sampleディレクトリ（HelloWorld, Network など）

TinyBooter

NETMF 純正ブートローダ（MFDepoy IF）

• メモリ管理• 割り込み• タイマー• 232C/USB

ドライバ




TinyCLRとアセンブリの実行動作

アセンブリ検索

初期化

Debugger 接続

アセンブリのロード

アセンブリの実行

起動

デプロイ後

無し

Flash ROM

読み出し・書き込み

‘F5’ キーでビルド、デプロイ、実行、デバッグ



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考察：Native 環境への移植

利点

全ソースコードが用意されている

ブートローダ, CPU初期化, リソース管理

動作している実機サンプルが入手し易い

割り込み / イベント処理が実装し易い

欠点

未対応アーキテクチャには移植し難い

クロスコンパイル, デバッグ環境を手当てする必要




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考察： OS on OS 環境への移植

利点

OSが用意している開発環境を流用可能

JTAG-ICEの代わりにデバッガで代用可能

1回移植すれば、同一OSへの移植が容易

欠点

参考にするソースコードが用意されていない

動作している実機サンプルが入手し難い

OS依存APIを変換する作業（PAL層開発）が必須（Timer, Event, Select, Socket, …）

ドライバの移植数、作業工数はNativeよりも多いドットNETまいくろバンザイ倶楽部

参考： .NET Micro Framework for Linux




組み込みアプリケーション開発



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アプリケーション開発手順

事前調査・基本設計

Interface 仕様の確認 (H/W, S/W, Network, …)

コーディング

Full .NET 環境用コードの流用

ソースコード・デバッグ

エミュレータ, オンライン・デバッガ

Full .NET 環境でのデバッグ（ソース流用化）

デプロイ

Flash ROM焼き, 配布用署名付きコード生成


.NET Gadgeteeerで簡単に！



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デバッガインターフェース

デバッガとの接続手段：3種類から選択

独自ハードウエア開発の注意点

OS更新用のデバッガ（ブート）・スイッチの必須

通常はGPIOタクトSW（ボタン）, DIP-SW等を使用


ドライバ

ドライバ

ドライバ

Serial (RS232C)

USB

LAN (TCP/IP)Host PC Target


ドットNETまいくろバンザイ .NET Gadgeteer とは？


Microsoftリサーチが開発している.NET Micro Framework ベース組み込みシステム統合開発環境とそれを構成するモジュール製品群

MMU無しマイコン上でVisual Studioで開発した.NETアセンブリ（中間コード）をインタプリタ実行

GUI操作で自動的に

初期化コードとクラスライブラリを追加

.NET MF

OS / Driver

Interpreter

App. / Lib.

Gadgeteer


ドットNETまいくろバンザイ .NET Gadgeteer とは？


具体的には次のものハードウェア

専用メインボード、専用モジュール群、開発環境としてのWindows PC

ソフトウェア ROM化されたOS、組み込み用各種ドライバとライブラリ、

Visual Studio用Plug In（ライブラリとGUIツール、シミュレータ）

新規モジュール開発やカスタマイズ可能オープンソース



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.NET Gadgeteer とは？

C#/VB言語レベルでライブラリと豊富なミドルウェアを提供プロトコル、グラフィック

ファイルシステム

サービス、マルチスレッド

10種以上のCPUボードと100種以上のアクチュエータ,センサー, ネットワークアダプタ,コネクティビティ,ディスプレイ等のモジュールを提供

ドットNETまいくろバンザイ倶楽部 30


ドットNETまいくろバンザイ IoT (Internet of Things)

IoT と .NET Micro Framework

2010年12月

NETMF搭載FEZ Panda Internet of Things Kit販売開始Network + LED + Switch + Sensor



ドットNETまいくろバンザイ IoT Internet of Things

デバイスとITの架け橋

http://blogs.msdn.com/b/hirosho/

Internet Of Things ハンズオン

http://aka.ms/IoTHandsOn

Microsoft Azure モバイルサービスとセンサー類を接続

IoT 入門キット

ガジェッター IoT 入門キット

EnOcean IoT 入門キット2014/10/18 32ドットNETまいくろバンザイ倶楽部


ドットNETまいくろバンザイ IoT入門キット

IoT 入門キット

ガジェッター IoT 入門キット

EnOcean IoT 入門キット




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参考URL

.NET Micro Framework (NETMF)

http://www.netmf.com/

http://netmf.codeplex.com/

http://en.wikipedia.org/wiki/.NET_Micro_Framework

.NET Gadgeteer

http://www.netmf.com/gadgeteer/

https://gadgeteer.codeplex.com/

http://ja.wikipedia.org/wiki/.NET_Gadgeteer

https://www.ghielectronics.com/

http://tinyclr.jp/




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まとめとFacebook Group


.NET Micro Framework (英語)

新プラットフォームへの移植 .NET Micro Framework Porting勉強会 (日本語)

組み込みアプリケーション開発とIoT .NET Micro Framework/Gadgeteer 作品自慢(日本語)


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