第２回組込みシステム研究センターシンポジウム 2010/9/16 TECS：組込み向けのコンポーネントシステム森孝夫名古屋大学大学院情報科学研究科附属組込みシステム研究センター 1 アジェンダ • コンポーネントベース開発 • TECSの概要 • TECSを知る・試してみる • まとめ 2 コンポーネントベース開発（Component-based development） 3 コンポーネントベース開発とは？ • コンポーネントベース開発とは？ • 電気や機械の世界と同様、用意されたコンポーネントを組み合わせてソフトウェアを構築しようという思想をベースとした開発方法 • コンポーネントシステムに支えられる面が大きい • Windows COM， DCOM， .NET Framework • CORBA， CCM(CORBA Component Model) • Java Beans， EJB(Enterprise JavaBeans) • コンポーネントとは • ソフトウェアのアルゴリズムやデータ構造を隠蔽し、定義されたインターフェースを介して外部のコンポーネントと通信しながら動作するソフトウェア部品 • 上記のような基本的な定義は同じだが、詳細はコンポーネントシステムによって異なる 4 組込み向けコンポーネントシステムの必要性 • 規模増大、複雑化に伴い、組込みでもコンポーネントベースで開発を進めたい、という要求が発生 • モデルによる分析・設計を「お絵かき」で終わらせず、シームレスに実装につなげたい、という「欲求」もある • 汎用システム向けのコンポーネントシステムでは不十分な面がある • コンポーネント間の結合を動的に行うため、オーバヘッドが大きい • オブジェクト指向言語での記述を前提としている • 特定のプラットフォーム上での動作が前提となっており、組込みシステム分野で使われている多様なプラットフォーム(例えば、ネットワークにCANを用いた環境)に対応できない 5 TECS以外の組込みコンポーネントシステムの事例 • PBO(Port-Based Object) • • • • センサを使用したロボットの制御向けのコンポーネントシステム ChimeraリアルタイムOSの上で動作動的にコントローラを変更することが可能が動的結合を採用しているため、オーバヘッドが大きい • Koala • 電化製品向けのコンポーネントとシステム • スイッチという機構を取り入れ、最後段階で2つのコンポーネントのうちどちらと結合するかを選択できる • AUTOSAR • 車載制御向けのコンポーネントシステム • RTE(Run-Time Environment)上でコンポーネント配置 • 同一ECUにあるか、異なったECU上にあるかを意識せずにコンポーネントを配置でき、コンポーネントの再利用性を高めることができる • SaveCCT • • • • 車載制御向けのコンポーネントシステム各コンポーネント入力から出力まで、実行時間を測定測定情報を使用、スケジュール可能特定ハードウェアが必要 6 TECSの概要 7 TECSとは • TOPPERS Embedded Component Systemの略字 • 組込みシステム特有の制約を考慮したコンポーネントシステム • 静的なコンポーネントモデル • 静的にインスタンス化・結合することで、メモリ（特にRAM）を節約し、オーバーヘッドを解消 • システムの最下層の要素もコンポーネントとして扱える • 特定プラットフォームに依存することなく、コンポーネントベース開発が可能 • マルチコアプロセッサシステム/分散システムにおける遠隔呼出し(RPC：Remote Procedure Call)にも対応 8 TECSの設計領域の範囲 • 分析・設計の終わりの段階から、実装、検証の工程に用いることが可能実装テスト TECS コンポーネント図 UML 分析、設計 C QAC アセンブラデバッガ TECS TECS CDLの記述より実装トレースプラグイン 9 TECS開発の歴史 2004年 1月 2006年 3月 2006年10月 2007年12月 2008年 6月 2008年11月 2009年 5月 2010年 6月コンポーネント仕様 WG 開始 TECSと命名（方向性がほぼ固まる）セキュリティコンポーネントIPA未踏に採択組込みZINE連載開始(現CodeZine) 会員向けリリース開始キャッツとヴィッツがサポートを表明一般向けリリース開始組込みプレスに記事を掲載 RPCを会員向けリリース開始 10 TECSコンポーネントモデルの基礎基本的なコンポーネントモデルセル：セルタイプセル：セルタイプ呼び口受け口結合セルは • セルタイプに属する • 呼び口、受け口を持つ • 属性、内部変数を持つ（図示しない） • インスタンス毎に名前が付けられるセルを結合してソフトウェアを完成させることを組上げと呼ぶ 11 セル記述のための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。 12 シグニチャセル間のインタフェース定義 • TECS CDL 表現 • 関数頭部を列挙 • 一連の機能をまとめて記述する • シグニチャの名前には接頭文字 s を付加 signature sTask { ER activate(void); ER_UINT cancelActivate(void); ER terminate(void); ER changePriority([in] PRI priority); ER getPriority([out] PRI *p_priority); ER refer([out] T_RTSK *pk_task_status); … 中略 }; • []内を取り除くと、正当なC言語の文法になる 13 関数とデータ型(1) • 引数の入出力方向の指定 • in …関数への入力 • out … 関数からの出力 • inout … 関数の入力／出力例 ER ER changePriority([in] PRI priority); getPriority([out] PRI *p_priority); 他にも以下の指定が可能 • 他コンポーネントに対する入出力方向の指定 • アロケータの使用を表す send, receiveがある • ポインタ引数に関する指定 • size_is, count_is, string により配列であることを明示する 14 関数とデータ型(2) • TOPPERS/ASPの型との親和性を重視 • 推奨する基本型（サイズが明瞭） char_t, bool_t … この2つの型は RPC でのみサイズ明瞭(8bit) int8_t, int16_t, int32_t, int64_t, int128_t uint8_t,uint16_t,uint32_t, uint64_t, uint128_t float32_t, double64_t • 推奨しない型（サイズが不明瞭） char, float, int, long, short, double, long double int_t • Cヘッダで定義される型(typedef,struct)の取り込み import_C( “mytypes.h” ); • 引数以外にも属性、内部変数、定数の型も同様 15 セルタイプセルの型式のTECS CDLによる表現 • セルタイプのTECS CDL 表現 • セルの持つ受け口、呼び口、属性、内部変数を指定する • この他にリクワイア、ファクトリを指定できる • ファクトリ：静的APIの記述手段 • リクワイア：セルタイプに共通な結合の指定 • セルタイプの名前には接頭文字 t を付加する例 [active] celltype tTask { [inline] entry sTask eTask; /* 受け口：タスク操作 */ call sTaskBody cBody; /* 呼び口：タスク本体 */ attr{ ID id = C_EXP("TSKID_$id$"); [omit] ATR taskAttribute = C_EXP("TA_NULL"); [omit] PRI priority; [omit] SIZE stackSize; … 一部省略 }; active … 後述 }; inline … インライン関数として実装することを指定 omit … CBに含めないことの指定 (factoryで利用) 16 セルタイプ属性と内部変数セルごとの初期値指定実行時の値変更属性内部変数¶ 可不可不可(ただし、属性を参照可) 可 ¶内部変数を単に「変数」と呼ぶことがあります celltype tAlarmCounter { attr { // 属性 int32_t initialCount = 0; int32_t thresholdCount; <<< セルで必ず初期値指定必要 }; var { // 内部変数 int32_t count = initial_count; }; // 呼び口、受け口の記述は省略 }; 17 セルの定義と結合 tCountInput CountInput tAlertCounter eCounter AlertCounter sUpDownCounter sAlert cAlert tBuzzer Buzzer • セルを定義する際に、他のセルとの結合を指定する点に特徴がある • セルを結合してアプリケーションを完成させることを組上げと言う例 // AlertCounter セル cell tAlertCounter AlertCounter { cAlert = Buzzer.eAlert; /* 呼び口の結合 */ initialCount = 0; /* 初期値 */ alertCount = 5; /*警告を発するカウント */ }; // CountInput, Buzzer のセル定義は省略 18 開発の流れ • (1)TECSコンポーネント図でソフトウェア構造を表現する • TECS CDLを用いて、部品の型である (3)セルタイプを記述する • セルタイプを定義する前に(2)シグニチャを記述しておく必要がある • 必要な部品の型が揃ったら(4)組上げ記述を行う • (2)，(3)，(4)を(6)TECS ジェネレータに通す．そうすると、(10)インタフェースコード、(9)ヘッダファイル、(8)セルタイプコードのテンプレートが生成される • セルタイプコードのテンプレートを元に、セルタイプコード(C言語)を記述する • インタフェースコードとセルタイプコードを、コンパイルし、リンクすることでアプリケーションモジュールが完成する 19 TECSを知る・試してみる 20 ハードウェアなしで試す • TOPPERSホームページより、実ハードウェアがなくともお試し頂ける、ASP+TECS環境とチュートリアルテキストを公開しています • http://www.toppers.jp/tecs.html • http://www.toppers.jp/download.cgi/tecs_package20100604.tar.gz 21 ETロボコンで試す • MINDSTORMS NXT用TOPPERS/ASP+TECSプラットフォームは、ETロボコン2010の認定プラットフォームのひとつです。 • 環境のダウンロード先はこちらです。 • http://www.toppers.jp/etrobo-asp.html • http://www.toppers.jp/download.cgi/et-roboconasp+tecs-20100721.tar.gz • チュートリアルテキストのダウンロード先はこちらです。 • http://www.toppers.jp/download.cgi/et-roboconasp+tecs-seminar-20100615.tar.gz 22 STM32 Primer2で試す • 現在はTOPPERS会員限定ですが、 STM32 Primer2ボード上でTECSを用いたプログラミングを行う教材を公開しています。 • 環境のダウンロード先はこちらです。（演習テキストも含まれています。） • http://www.toppers.jp/members.html • https://www.toppers.jp/MEMBERS/early/po/stm32prime r2_tecs_edu-20100616.zip • 以下のような特徴があります • 安価なプラットフォーム • LED の点滅からミュージックプレイヤーまで段階的な開発を体験できる • 組込みコンポーネント開発の利点を理解できる 23 研究・開発予定 • 2010年度は、以下の研究開発を実施する予定です • OpaqueRPC の開発と公式リリース • STM32Primer2教材の、RPC機能に関する内容追加 • 各種検証機能の開発 • 各種関連ドキュメントや記事を公開していく予定です • 論文、関連ドキュメントに関しては、詳しくはTOPPERSホームページを参照して下さい • http://www.toppers.jp/tecs.html 24 まとめ • 組込みソフトウェア開発向けのコンポーネントシステムであるTECSを紹介した • ツールセット、解説ドキュメントも含めて、簡単に試すことのできる環境をオープンに提供 • 2010年度は、RPCの拡張と教材開発を中心に研究開発を進めていく 25 引用・参考文献 • 組込みコンポーネントシステムTECS 仕様書（V1.0.1.2） • コンピュータソフトウェア Vol. 26 (2009)，No. 4 ~組込みシステムに適したコンポーネントシステムの実現と評価~, 安積 • ET2009 カンファレンスの発表資料 ~組込みコンポーネントシステムTECSの概要~, 大山 • TECS開発技術の基礎 ~組込みシステムソフトウェア~，DCI • NEP公開講座「TECSを用いたコンポーネントベース開発入門」テキスト 26