Mindstorms NXT用 toppersプラットフォームの概要（ETロボコン向けTOPPERS活用セミナー1）

1. 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
®LEGO, the LEGO logo, MINDSTORMS and the
MINDSTROMS logo are trademarks of the LEGO Group.

2. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 2
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

3. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 3
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 JSPnxtOSEK/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

4. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 4
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+TEC
S
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

5. 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)

6. 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
TOPPERSプロジェクト認定 6
tecs_package¥asp+tecs¥tecs_lib¥mindstorms_nxt¥target_lib_inst.cdl

7. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 7
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

8. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 8
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

9. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 9
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）

10. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 10
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

11. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 11
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

12. 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

13. 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)
13

14. 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
14
TOPPERSプロジェクト認定

15. 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
15
TOPPERSプロジェクト認定

16. 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
16
TOPPERSプロジェクト認定

17. 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
17
TOPPERSプロジェクト認定

18. 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
18
TOPPERSプロジェクト認定

19. 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
19
TOPPERSプロジェクト認定

20. 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
20
TOPPERSプロジェクト認定

21. 2012/06/02
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
21
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

22. 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
22
TOPPERSプロジェクト認定

23. 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
23
TOPPERSプロジェクト認定

24. 2012/06/02
コンポーネント記述の３要素
TOPPERSプロジェクト認定 24
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。

25. 2012/06/02
競技に使用するハードウェア構成
TOPPERSプロジェクト認定 25
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

26. 2012/06/02
ハードウェア内部構成
TOPPERSプロジェクト認定 26
• 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
SSC
TWI PIOA
I2C

27. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 27
NXT用ASP+TECSプラットフォームのコンポーネント

28. 2012/06/02
カーネルに関するコンポーネント
TOPPERSプロジェクト認定 28
Task
kernel.cdl
ISR
CyclicHandler
AlarmHandler
Semaphore
InitializeRoutine TerminateRoutine
ConfigInterrupt
CyclicTaskActivator CyclicTask
Eventflag Dataqueue
Priority
Dataqueue
FixedSizeMemoryPool
Kernel
ISRWithConfigInterrupt

29. 2012/06/02
TECSのカバー範囲
TOPPERSプロジェクト認定 29
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

30. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 30
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

31. 2012/06/02 TOPPERSプロジェクト認定 31
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）