教育用マイコンボードへのJava KVM の実装と移動 - JSK

1P1-3F-G3
教育用マイコンボードへの Java KVM の実装と
移動ロボットの行動プログラミング演習
— 東京大学戦略ソフトウェア創造人材養成プログラムでの実践—
Building Java KVM Mobile Robots and its Behavior Programming Course
— Professional Programme for Strategic Software at The University of Tokyo —
○ 水内郁夫
正高野太刀雄
(東大)
(東大)
岡田慧
正小林肇
(東大)
(東大)
正西脇光一
正斉藤正光
(東大)
(東大)
正原田達也
正稲葉雅幸
(東大)
(東大)
Ikuo MIZUUCHI
Kei OKADA
Koichi NISHIWAKI
Tatsuya HARADA
Tachio TAKANO
Hajime KOBAYASHI
Masamitsu SAITO
Masayuki INABA
Dept. of Mechano-Informatics, Graduate School of Information Science and Technology,
The University of Tokyo. 7-3-1, Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo
This paper describes a cource of building a Java virtual machine for mobile robots and its behavior programming.
The cource also includes building the cross-developing environment for the mechatronics board developed in our
department, and practicing the parallel object-oriented programming. The cource has been done in Professional
Programme for Strategic Software at the University of Tokyo.
Key Word: embedded system, JAVA, KVM, Professional Programme for Strategic Software
はじめに
1
東京大学大学院情報理工学系研究科では，平成 13 年度か
ら 5 年間戦略ソフトウェア創造人材養成プログラム1を実施
している．本プログラムいおいて，実世界で外界情報を認
識し行動するためのソフトウェアの教育として，機械系学部
教育等に利用可能な Java を搭載した移動ロボットを構成し，
並列行動プログラミング演習を実践した．本稿ではその実装
系と行動プログラム環境を紹介する．
以下に本演習のねらいを挙げる．
組み込みシステムのソフトウェア実世界で認識・行動する
システムに不可欠な要素である組み込みシステムのソ
フトウェアを，開発環境の構築から応用実践プログラミ
ングまでを通して学ぶ．
開発環境の構築方法組み込みシステムソフトウェアのクロ
ス開発環境の構築法を学ぶ．GNU のツールを利用した
クロスコンパイラの開発を，Windows や Linux 上で行
う方法を実践から学ぶ．
図 1: ボードコンピュータと車輪型ロボット
JAVA 言語による行動プログラミングイベント駆動型の認
識行動ソフトウェアを始め様々な並列ソフトウェアの構
築を，Java でオブジェクト指向を学びつつ演習する．
コーダと左右前方に 2 個ずつの衝突センサ・赤外線距離セン
サを備え，センサベーストな行動実験が可能になっている．
マイコンボードを搭載した車輪型ロボットを図 1 に示す．
応用実践迷路脱出課題や自主プロジェクト [1] という形で，
実際に移動ロボットの行動プログラミングを行う．
2.2
演習環境の整備
2
2.1
教育用マイコンボードと車輪ロボット
KVM (kilo byte Java VM) の移植
並列行動プログラミングの演習に利用するために OS の搭
載や様々な JavaVM の移植などの可能性を探り，最終的に
Sun の提供する CLDC(Connected Limited Device Configuration; Java2ME(Micro Edition) の最小セット ) の reference
実装である KVM を MC68336 に移植した．KVM は，
本演習で利用するマイコンボードは東大機械系で開発され
たもので，モトローラ MC68336(CPU32, 20.97MHz, 7.5kB
SRAM，タイマ・AD・シリアル通信等内蔵) と，256kB RAM，
512kB EPROM が接続され，シリアル通信・4 行 ×6 列キー
ボード・16 桁 ×2 行液晶ディスプレイ・圧電スピーカ・モー
タドライバ・赤外線リモコン入出力・LED・汎用 IO/AD 等
と周辺回路を搭載している．
車輪型ロボットも同機械系で開発されたもので，後方に独
立駆動の 2 輪と前方にフリーベアリングを 1 個有する．エン
1 http://www.i.u-tokyo.ac.jp/ss/
• 浮動小数点を使うバイトコードのサポート無し．
• ユーザ定義のクラスロードのサポート無し．
• スレッドはサポート．スレッドグループはサポート無し．
• ファイナライザ無し．例外はサポート (制限有り)．
• 非同期通知・ファイルローダ・ネットワーク等は CLDC
非標準．
• Solaris, Windows, Linux 等の Sun による実装がソース
コード付きで公開．
日本機械学会 [No.03-4] ロボティクス・メカトロニクス講演会’03 講演論文集
1P1-3F-G3(1)
2003.5.23∼25 函館市
といった特徴がある．
移植に際し，警告用関数 (AlertUser)，メモリ関連の関数
(allocateHeap，freeHeap)，ターゲット固有の初期化・終了処
理 (InitializeNativeCode，FinalizeNativeCode)，時間の関数
(CurrentTime md) 等を実装する必要があった．さらに，標
準出力を LCD，標準入力を 24 キーと定義し，標準ライブラ
リ関数 (strcpy，printf，longjmp 等) を実装し移植を行った．
2.3
000000
user program
RAM(256kB)
040000
ネイティブコード実行と移動ロボットの API
.text
libraries
JavaVM
880000
という配置にすることにした．MC68336 は RAM・ROM・
内蔵 SRAM のメモリアドレスは変更可能であるので，割り
込みハンドラを RAM に置きたいなどの制約から，図 2 に示
すようなメモリマップとした．
ROM には JavaVM の実行コードと標準クラスライブラリ
が置かれ，RAM には*.java をコンパイルしてできた*.class
を束ねた*.jar ファイルを転送する．KVM(JavaVM) が Jar
の実行をサポートしているので，RAM に転送した*.jar ファ
イルの番地をボタンでセットして，Java 実行ボタンを押す
ことにより実行する．なお，ダウンロードボタン，C プログ
ラム実行ボタン等が他に設定してある．
演習の内容
3
3.1
FFD000
stack
クロス開発環境と KVM のインストール
各自が自宅の Windows マシンで演習の内容を復習する
ことができるように，Cygwin2の環境をベースに，GNU3 の
ツールにより，次のようにクロス開発環境の構築を演習した．
1. http://www.cygwin.com/setup.exe により Cygwin を
インストール．
2. Cygwin 利用のための Windows 環境変数の設定．
3. Meadow(Windows 上で動く GNU Emacs エディタ) 4 の
インストール．
SRAM(4kB)
図 2: メモリマップ
4. binutils をビルドしインストール．
5. gcc (GNU compiler collection) をビルドしインストール
C 言語プログラムと Java プログラムの共存
RAM: C プログラム．Java バイトコード (jar 形式)
ROM: モニタ．C ライブラリ．JavaVM(KVM)．サンプル．
内蔵 SRAM: スタック
ROM(512kB)
Sample.java
etc.
• 車輪の制御 (速度制御のソフトウエアサーボを Java ス
レッドとして実装)
• シリアル入出力 (InputStream, OutputStream を継承)
• キー入力 (スキャン，ブロック入力，数値入力)
• 時刻取得，LED 制御，衝突センサ・距離センサ読み取
り，AD 入力，メモリーアクセス
本演習で利用するマイコンボードは，他の演習では C 言
語でも利用するので，C 言語と Java のプログラムをどちら
も起動できるようにした．また，C や Java で書かれたプロ
グラムはシリアル通信で RAM に転送するが，JavaVM や標
準クラスライブラリ・C 言語のライブラリ関数等は ROM に
置き，RAM のプログラムサイズを小さくしたい．そこで，
.bss
800000
KVM では JNI はサポートされず，VM に直接リンクする
ことによりネイティブコードを実行可能であるが，実行中は
スケジューリングされない．ネイティブコードを利用するメ
ソッドの引数，結果はスタックにより授受できる．
ネイティブコードを利用した車輪型ロボット用の
API(utmech.mechanomcu. ∼) を次のように用意した．
2.4
.data
ただし，configure は --target=m68k-coff として行った．
Sun から取得した KVM のソースとあわせて，演習環境用
に移植した KVM をビルドする環境を CVS の形で用意し，そ
れを各自の手元に checkout してビルド・インストールを行っ
た．KVM の標準クラスライブラリ作成に必要な JDK1.3.1
も，Sun より取得して各自でインストールした．
3.2
行動プログラミング
LEGO MindStorms5のコントローラ (RCX) 用の Java と
して LeJos6が開発されているが，そのサンプルとして Subsumption Architecture[2] の簡単な実装例がある．これを本
演習の環境に移植し参考サンプルとして配布した．センサ入
力がない場合は前進し，バンパーの入力に応じて，通常行動
を抑制し回避行動を発現するというものである．
Java で車輪型ロボットや自主プロジェクト [1] のためのプ
ログラミングを通して，オブジェクト指向の概念や，スレッ
ドを利用した並列プログラミング，イベント駆動型のプログ
ラミング等を習得する．
4
おわりに
一人一台の 68 系プロセサと車輪型ロボットを題材に，組
み込みシステムのソフトウェアとその開発環境，Java によ
る行動プログラミング，応用実践を通して，実世界認識行動
ソフトウェアの教育を行う環境を紹介し，それに伴い行った
Java KVM の移植に関し述べた．
参考文献
[1] 稲葉雅幸. 東京大学機械情報工学科自主プロジェクト型学生実
験. 日本機械学会ロボティクスメカトロニクス講演会 ’93 予稿
集, pp. 644–649, 1993.
[2] Rodney A. Brooks. A Robust Layered Control System For A
Mobile Robot. IEEE Journal of Robotics and Automation,
Vol. RA-2, No. 1, pp. 14–23, 1986.
2 http://www.cygwin.com/
3 http://www.gnu.org/
4 http://www.meadowy.org/meadow/
5 http://mindstorms.lego.com/
6 http://lejos.sourceforge.net
1P1-3F-G3(2)

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