クラウド時代の組込みシステム技術 · アーキテクチャのオープン化いつでも・どこでも・リアルタイム接続の時代組込み端末がクラウドの「末端」となる

Copyright © 2012 by Ken SAKAMURA 1

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クラウド時代の組込みシステム技術

「オープン」化する組込み

Ken Sakamura, Ph.D.

Chair of T-Engine Forum/uID Center

Professor of The University of Tokyo

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オープンな領域が広がってきている


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オープンといえば…

最初はOSだった UNIX, MINIX, TRON, Linux・・・・


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2001年、武田賞のテーマは「オープン」

左から・Linuxのライナス・トーバルズ・GNUのスートルマン・TRONの坂村

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オープンなレイヤが拡大

OS

ミドルウェア、ライブラリ

開発環境、ブラウザ、データベース

ハードウェア


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組込み分野でもオープンの応用が拡大

最近5年でOpen Sourceがカバーする組込システム応用分野はますます拡大

通信から航空機、宇宙に至る産業領域全体をカバー

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宇宙に利用されるTRON

■ 「すざく」ミッション 2005年7月10日打ち上げ、高度約550kmの楕円軌道を回る

ブラックホール近傍から出るX線を宇宙望遠鏡で観測

宇宙の構造がどのように進化してきたかの手がかり

■DHUはμITRON2.0 OS

■ 「すざく」の後継2013年打ち上げ予定のASTRO-Hには「SpaceWire」が搭載され、 T-Kernelで動作 64ビットマイクロコントローラ

大容量データ処理

衛星内ネットワーク分散処理


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これからの技術環境

開発環境だけでなく利用環境のオープン化も

システム自体も「オープン」へ

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ネットワークの高速化、低コスト化、常時接続化

組込みシステムもクラウドと接続するのが常態化

例えば家庭内の電力利用統計も、家庭内にサーバーを立ててデータ管理・分析するより全電化製品をクラウドにつなぐ方が容易に

「クラウドと実世界を繋ぐモノ」としての組込み


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例えば家庭内の電力利用統計のクラウド化

ホームサーバー前提の従来型モデルサーバー、ネットワークの構築・保守管理

サービス・アップデート、新規繋ぎ込み

他メーカーとの連携等…多くの問題

「ホームネットワーク」は主流にならず

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ユビキタス機能分散システムへ…

組込みシステムが「眼・耳」や「手・足」となり現実世界の状況を知り、また操作し…

クラウドが現実世界から上がるビッグデータを処理し…

スマートフォンが人々と対話し…

それらをあまねくリアルタイム・ネットワークが結ぶ世界


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システムアーキテクチャのオープン化

いつでも・どこでも・リアルタイム接続の時代

組込み端末がクラウドの「末端」となる機能分散型システムの一般化

組込みシステムをネットワーク端末とするクラウドサービスへ

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多様なOSによるオープンな機能分散


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組込み機器のこれからの特徴

■情報処理能力は変わらない一次データ処理としてローカルでのセンサーデータ解析は必要

それ以上の記録・高度なデータ記録・解析・グラフ化・管理などはクラウド側で処理

■ユーザインタフェースはむしろ小さく高度なユーザーインタフェースはスマートフォンで行えば本体側の

操作はむしろ簡単に

■ネットワーク機能にすべてが集約

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T-Kernel 2.0とT2EX

これからのオープンな「組込み」のための2.0化


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T-Kernel1.0からT-Kernel2.0(T2)へ

■バージョンアップ版のT-Kernel 2.0をリリース(2011年5月) 従来のT-Kernel 1.0の設計方針や特長は不変

T-Kernel 1.0に対しては上位互換 • ソース互換およびバイナリ互換

■CPUの高性能化、デバイスの大容量化を活かす追加機能 64ビットデータの導入

マイクロ秒単位の時間管理機能

大容量デバイスへの対応

■ワンストップサービス

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T2で提供されるソフトウェア

■ T-Kernel2.0 動作対象機種の tef_em1d に合わせてARM11コア依存部を追加

■ T-Monitor ハードウェアの初期設定 T-Kernelのブート処理割込みや例外のハンドリングハードウェア階層の対話型デバッグ機能

• メモリやレジスタの参照

■デバイスドライバ時計(RTC) シリアルコンソールタッチパネルスクリーン(LCD) システムディスク


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T2で提供されるソフトウェア

■ Eclipse開発環境 Windows PC上で動作

コンパイルやビルド

実機へのプログラム転送と実行

デバッグ機能 • ブレークポイントの設定

• 変数値の参照や変更など

※このほか、Linuxのコマンドベース(非GUI)の開発も可能

■ QEMUによるエミュレータ Windows PC上で動作

• ハードウェア(実機)がなくても開発できる

CPUおよびボード搭載の各デバイスに対応 • タイマ、microSDカード、I2C、UART(シリアル)、USB、RTC、LCD、タッチパネル、

LANなど

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T-Kernelのプログラム開発

■統合開発環境Eclipseでプログラム開発、デバッグ ICE不要、PC上の仮想環境での開発も可能


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T-Kernel関連の機能分散向け製品

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T-Kernel for Android Open Accessory

■ Android端末用の周辺機器をT-Kernelで開発するための開発評価キット

■ OSの適切な役割分担をサポートリアルタイムの機器制御はT-Kernelで高度なGUIや複雑な情報処理はAndroidで


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組込み向けハイパーバイザー「RTH withT-Kernel」

■T-Kernel 2.0 と RTH(Real-time Hypervisor) により、Windowsが苦手とするリアルタイム制御処理を、同一CPU内のT-Kernelで実現

■WindowsとT-Kernel 双方のメリットを活かした組込み機器の開発が可能

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Qt for T-Kernel

■オープンソースで洗練されたGUI機能などを提供

■Qt Creatorなど使ってT-Kernel用のGUIを開発可能

■ LinuxやWindows上のQt資産をT-Kernel上で利用


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T2EX

T-Kernel2.0 Extension

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T2EX: T-Kernel 2.0 Extension


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T2EX誕生の背景

■T-Kernel搭載の組込み機器への要求を分析

■ 「リアルタイム」を維持したまま機能追加したい要求度の高い機能: ファイル管理とネットワーク通信

■ 「コンパクト」も維持する必要がある WindowsやLinuxなど情報系の重いOSは使えない

CPUコアがMMUを持たないケースも

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応用例1: デジタルカメラ

■ シャッター制御、オートフォーカス、手ぶれ補正の処理

リアルタイム性が必須

■撮影した画像の保存

ファイル管理機能が必須

■ スマートフォンから無線LAN経由でリモコン操作

ネットワーク通信機能が必須


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応用例2: PC用のプリンタ

■インクジェットの噴射やノズルの移動

リアルタイム性が必須

■ SDカードからのプリント

ファイル管理機能が必須

■スマートフォンから無線LAN経由で印刷

ネットワーク通信機能が必須

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T2EXの基本方針(1)

■T-Kernel 2.0の軽量性を活かす拡張機能ファイル管理やネットワーク通信などを追加

T-Kernelの「タスク」から直接呼び出せるAPI

■ 「プロセス」の機能は敢えて導入しないプログラムの独立性を保ちながら開発するには有用だが、オーバー

ヘッドが不可避

プロセスの導入には CPUコアにMMUが必須、コンパクトな組込み機器では採用しにくい

Linuxなどの情報系OSとの差別化を図る


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T2EXの基本方針(2)

■標準CライブラリやPOSIXとの互換性、親和性に配慮 fopen()、fread()、fwrite()、fprintf()などを導入

一般的なC言語プログラムの移植が容易で開発効率向上

■各機能を取り外し可能なモジュールとして実装不要な機能の削除によりさらにコンパクト化

機器のハードウェアの低コスト化にも貢献

■安全性の向上ページング等の高機能なMMUを必須としないメモリ保護機能

すべてのAPIをスレッド安全な仕様としてマルチタスク環境下での誤使用を回避

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T2EXの機能

■メモリ保護機能

■ファイル管理機能

■ネットワーク通信機能

■カレンダ機能

■プログラムロード機能

■標準C互換ライブラリ標準入出力機能を含む


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T2EXのソフトウェア全体構成

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T2EXネットワーク通信機能

■ BSDソケットが提供する機能をほぼ利用可能

■小さいフットプリント

■リアルタイムスケジューリングを用いて優先度を考慮した通信プログラムの作成が可能

■より堅牢なアプリケーション


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T2EXのファイル管理機能の実際

■各APIの基本機能や使い方はPOSIXやLinuxとほぼ同様ただし、API名称に "fs_" のプリフィックスが付く

fd = fs_open(path, flags, mode) でファイルをオープン fd にファイルディスクリプタを取得 ↓ fs_read(fd, buf, count) でファイルをbufに読み込み fs_write(fd, buf, count) でbufからファイルに書き込み ↓ fs_close(fd) でファイルをクローズ

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ファイル管理機能の主なAPI

fs_attach ファイルシステムの接続 fs_detach ファイルシステムの切り離し fs_open ファイルのオープン fs_close ファイルのクローズ fs_lseek ファイルの読み書きオフセット位置の変更 fs_read ファイルの読み込み fs_write ファイルへの書き込み fs_rename ファイルの名前・位置を変更 fs_unlink ファイルの削除 fs_fsync ファイルの同期 fs_creat ファイルの作成 fs_sync ファイルシステムの同期 fs_mkdir ディレクトリの作成 fs_rmdir ディレクトリの削除


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ネットワーク通信機能の主なAPI

so_accept ソケットへの接続の受け付け so_bind ソケットに名前をつける so_close ソケットを閉じる so_connect ソケットの接続 so_getsockname ソケットの名前取得 so_getsockopt ソケットオプションの取得 so_setsockopt ソケットオプションの設定 so_listen ソケット上の接続を待つ so_read ソケットからの読み込み so_recv ソケットからのメッセージ受信 so_select 多重化 I/O の同期をとる so_write ソケットへの書き込み so_send ソケットへのメッセージ送信 so_socket 通信のエンドポイントを作成 so_gethostname ホスト名を取得 so_sethostname ホスト名を設定

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T2EX: まとめ

■T2EXの意義コンパクトな組込み機器の高機能化、ネットワーク化に対応した、T-

Kernel 2.0の拡張機能

T-Kernel 2.0とともに、高機能化した組込み機器の開発効率向上、開発期間短縮、開発コスト削減に貢献

■T2EXの用途デジタルカメラ、プリンタ、電子文房具的な機器、OA機器、ヘルス

ケア機器、PCやスマートフォン用の周辺機器など


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組込みLinuxとの比較

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組込みLinuxとの比較

■組込みLinuxとは？組込みLinuxは、あくまで標準Linuxを組込み用途にカスタマイズし

たもの

したがって、根本に関しては標準Linuxシステムと大きな違いはない

• プロセス、ファイルシステム、POSIX API, …

■T2EXははじめから組込みを対象として設計されており組込みLinuxとは設計レベルで根本的に異なっている


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例: Linuxのブートプロセス

■一般的なLinuxのブートプロセスブートローダのロード

LinuxカーネルのRAMへのロード

初期RAMディスク(initrd)のロードとマウント

初期RAMディスク上のカーネルモジュールのロード

ルートファイルシステムのマウント

Initプロセスの実行

アプリケーションプログラムの実行

■ POSIX由来の機能がシステムの根幹をなしており、結果的に組込み用途には無駄が生じてしまうデータの保存が不要なシステムでもファイルシステム機能は切り離せな

い

単一プロセスのシステムでもプロセス機能は必須

プロセスが必要

ファイルシステムが必要

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組込みLinuxと比較したT2EXの特徴

■ タスクベースのシステムプロセス・ファイルシステムを必須としない軽量な構成タスクベースのシステム上に、高度なアプリケーションを実現できるプロセスベースのシステムに対し、ROM/RAMの使用を大幅に削減

■軽量なメモリ保護機能プロセスのような多重論理空間によらない、省メモリ・高速なメモリ保護

機能を提供

■ OS機能の選択 T2EXのOS機能は、デバイスドライバと同じレベルで、結合したり切り離

したりすることができるファイル管理機能やプログラムロード機能といった、Linuxの主要なOS機

能ですら簡単に取り外しできる不要な機能を切り離すことで、ROM/RAMの利用を大幅に減らすことが

できる


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組込みLinuxと比較したT2EXの特徴

■省ROM/省RAM T2EXではデバイスドライバ・OS機能の構成と設定に応じて、

ROM: 100KB～610KB, RAM: 70KB～16MBの範囲でシステムを構成可能

一般的な組込みLinuxのシステムでは、数MB以上のROMおよびRAMが必要になる

■明確に仕様化されたシステムレベルAPI 組込み開発者は、多くの場合、デバイスドライバやカーネル等のシステ

ムレベルの開発に興味がある

しかし、Linuxではカーネルレベルでは明確なAPIが定まっておらず、バージョンアップにより頻繁にAPIやパラメータ等が変わってしまう状況にある

T-Kernel 2.0, T2EXでは tk_xxx_yyy() 形式の明確なAPIが定義されており、T-Kernel 1.0以来互換性を堅持している

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これからの制度環境社会レベルのオープンサービスに結びついた組込みシステムを活かせる制度環境が必要

組込みシステム側にもそれに対応できる技術が必要に


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オープンな組込みシステムの理想のサービスは…

よく考えると… 多くのものが、政府、自治体、民間、個人の複雑な連携が必要

複雑な連携自体はICTの高度化により技術的に可能に

しかし、技術以外の点で多くの難しい問題

このような役割分担を権限、責任、さらにはセキュリティやインセンティブの観点から

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どのように実現するか

本質は「ガバナンス・チェンジ」本質は「技術面」よりむしろ「制度面」

ガバナンスを「集中から分散へ」

ガバナンスを「クローズからオープンへ」


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制御のガバナンス

属人か、属家か、属サービスか制御のガバナンスは個人に属するか、

家（の中にその機器があるという場所コンテクスト）に属するか、組込み機器を通じてサービスを提供する主体に属するか

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制御のガバナンス

誰が責任を取るか逆に責任を取る主体が決まっていれば事故が起こっていいのか?

「自動機械の手にかかるぐらいなら、むしろ人間のミスで死にたい?」

関連法規だけでなく保険などもコンセプトの変更が必要


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データのガバナンス

組込み機器の使用によって日々生まれる様々なデータは「誰ものもの」か?

「誰が管理」し「誰が保証」し「誰が利用を許可する」のか?

エコのためになるなら地域で使用できるか

安全性向上のためならメーカーが利用できるかすでに自動車の走行データは安全性向上のためにメーカーが収集している

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プライバシー意識も変化

SNSによるプライバシー意識の変化個人情報保護で行政が拘束されている一方でFlickerなどに

平気でプライベート写真を上げる若者たちも個人がクレジットレシートをアップしそれを話題に盛り上がる「買い物SNS」まで出現

「プライバシーだから守れ」だけではない時代に

WiFi体重計のツイート機能のようにライフログのSNS化へ


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システムもそれに対応しなければならない

これからの組込みシステムにおいてはデータと制御のガバナンスの

高度な管理が重要に家庭から出さなければいいという問題ではない単なる暗号化を超えて権限のグループ管理やデータ部分的露出など

平時と有事の権限設定変更など

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毛沢東の赤ワイン電脳建築家、世界を食べる

角川書店 2012/8刊

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この続きは TRONSHOWで…


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TRONSHOW2O13

http://www.tronshow.org/

http://www.t-engine.org/

http://uidcenter.org/

2012.12.12～14 @ Tokyo Midtown

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