mruby/c機能紹介20160329

　　　　 2016年3月29日　　（共同研究者）国立大学法人九州工業大学情報工学研究院　機械情報工学系　准教授　　　田中和明

しまねソフト研究開発センター　　　　　　　（公益財団法人しまね産業振興財団）

　　　　　　　　　　　専門研究員　東　裕人　　　　　　　

© Kazuaki Tanaka & Shimane IT Open-innovation Center

　プログラム言語「 mruby 」　先駆的研究テーマ「 mruby/c 」　　　　〜 mruby/c の機能紹介〜　


内容

１　 mruby の紹介２　 mruby の最近の話題３　 mruby/c の紹介４　 mruby/c ボードの開発状況５　 mruby/c のデモ


１　 mruby の紹介　・ Ruby を小型化し、組込み用途で利用する・（例）　　−　組込みデバイス　　−　他のアプリケーションの内部で動く　　−　コマンドラインアプリケーション　　　　（ネイティブアプリケーション）


Ruby との違い　・ mruby のプログラム実行　 (1) ソースコードをコンパイルして　　バイトコードを得る　 (2) バイトコードを VM が逐次実行する・バイトコードを実行する VM があれば、　どの環境でも mruby プログラムを動かせる


バイトコードの特徴　・バイナリ形式・アーキテクチャに依存しない・言語の解析が不要（アセンブラに近い）・実行時の高速化、省メモリ

（ここからは未実装）・局所的な最適化が期待できる・暗号化、電子署名


組込みソフトの難しさ　・製品ごとに、使われているマイコンの　 CPU 、メモリ、 OS などが異なる・マイコンごとに、専用の　開発環境が必要・周辺回路（ I/O ）も異なる・組込みソフトの開発だけでなく、保守作業も困難


難しさの例（よくある話し）　・製品に使用していた CPU が製造終了

・新しい CPU を使った製品を開発する・ソフトを作り直す　↑　 CPU が異なれば、ソフトも大きな変更が必要　　・ CPU のビット幅が異なる　　・アーキテクチャが異なる　　・これまで使っていた OS が対応していない　　・タイミングが合わない（古い製品にありがち）　


解決方法　・ハードウェアに近い部分を抽象化する　−　 HAL （ Hardware Abstract Layer ）・ VM で抽象化する　−　 Java

・抽象度の高い言語を使う　−　スクリプト言語（ Ruby や JavaScript など）mruby


mruby の場合　


VM でバイトコードを実行する


VM で動作検証できる　・ PC の上で動く VM を作っておくと　組込みソフトのテストができる　−　テスト用の入出力を用意しておき、　　プログラムを実行する


mruby のバージョン　・公開（ Ver.1.0 ）　−　この時点で、多くのライブラリが提供されている・デバッガが提供されている（ Ver.1.1 ）　−　デバッガツール（コマンドライン）　−　デバッガ用 API

・ mrbgem の充実（ Ver.1.2 ）　−　クロスコンパイル　−　 mrbgems の整理


mruby の機能拡張〜 mrbgems 〜　

・機能拡張部分（多くはクラスの実装）を　１つのディレクトリ内にまとめる・ビルド設定ファイルに記述することで　 VM ビルド時に機能が取り込まれる・不要な機能はビルド設定ファイルから　取り除くこともできる


２　mruby の最近の話題　・「組込みシステムの高効率開発を可能とする　開発フレームワークの研究開発」　（九州工業大学、 SCSK 九州、有明高専）　−　 NEDO の助成事業　　「 IoT 社会の実現に向けた電子・情報分野事業の周　　辺技術・関連課題における小規模研究開発」 − 　 mruby を使った IoT 製品開発を効率化する　−　統合開発環境を設計開発する　−　 enzi ボード (*1) とシームレスに繋がる開発環境　　　　　　　 (*1)enzi ボード： mruby 専用のマイコンボー

ド、 ARM Coretex M4 　


こんなイメージ　・ Arudino みたいな感覚で使える mruby ボード・ Arudino との違い − 　ｍ ruby である − 　 enzi 以外の mruby ボードも用意する　　　（バイトコード互換） − 必要なセンサに対応した VM にカスタマイズできる　　　（ Rails の感覚）


３　ｍ ruby/c の紹介　・ mruby の多機能に対する逆張り・ mruby でできない事を実現しよう！　−　少ないメモリ（〜ワンチップ）　−　コンカレント動作（〜 OS はいらない）　−　起動を速くする（〜割り込みを目指す）　−　組込み技術者向けの仕様　　　　　　　　　　　　（〜見て分かる規模にする）

mruby/c の特徴① 高い開発生産性： C 言語に比べて、 5 倍程度と予測

　✪ Ruby が持つ高い生産性を引き継ぐ　コンカレントな動作✪ （異なる動作は、別のプログラムで実現）　⇒　・スピーディーな試作開発、実用化開発を実現　　　・容易に変更が可能　

② 省電力：従来のｍ ruby 比で 10 分の 1 程度、メモリ消費 50kb 未満で稼働

✪ 本来の機能以外の動作を省き実装を最適化 ✪ マルチコアプロセッサを積極的にサポート

⇒ 　・限られた電力供給環境下でも稼働　　　（電池駆動、エナジーハーベスティング）



mruby/c の基本コンセプト　・ mruby/c の優先順位　　　　　　 mruby は、　 1. メモリ　　　　　　　　　　　　　　

3. 機能　 2.起動速度　　　　　　　　　　　 4. 実行速度　 3. 機能（ライブラリ） 1. メモリ　 4. 実行速度 2.起動速度・想定するアプリケーション領域　・省電力デバイス　・手軽に試作する　


mruby と mruby/c の概要　 mruby mruby/c

ターゲットサーバー組込み OSOS は、ほぼ必要

小型デバイスOS なし

メモリ〜 400KB 〜 40KB機能拡張 mrbgems ソース書き換え

VM の機能拡張通常はできない可能

ライセンス MIT BSD

目指すところ多くの環境で動作CRuby との互換性

小型省電力


mruby/c ターゲットCPU 　

PSoC5(32bit) CypressRX63N(32bit) ルネサスPIC24(16bit) Microchip Technology

mruby/c 　 β 版の公開　


現在、 GitHub で公開していますhttps://github.com/mrubyc/mrubyc　

https://github.com/mrubyc/mrubyc

https://github.com/mrubyc/mrubyc


「 mruby/c 」の評価　


mruby/c への機能追加　・（状況） − 　 C で作成した関数を持っている　−　 Ruby から呼び出したい・（方法）　−　 Ruby のメソッドと C の関数の対応を記述する　−　 Ruby と C の間の値の受け渡し　　　（ wapper 関数を作る）


機能追加の例　・（状況） − 　ベンダーから LED 出力の関数が提供されている・（方法）　−　 wapper 関数を作成する

− 　 wapper 関数を作成する

void LED_Writer(uint8 value);

void c_led(mrb_vm *vm, mrb_volue *v){ LED_Write( GET_INT_ARG(θ) );}

mrb_define_method(static_class_object, “led”, c_led);


サンプルプログラム　

delay の関数も同様に作成します


◯ｍ ruby の研究を取り込む　・学生が MQTT を mruby に実装しました − 　ｍ ruby のビルド設定に１行追加するだけで、　　 MQTT 対応の VM を作成できます − 「 build_config.rb 」の中に１行追加するだけ　　　 conf.gem :github => ‘sabakan21/mruby-mqtt’

mruby/c への機能追加　


実験　


「 mruby-mqtt 」の評価( １ ) 　


「 mruby-mqtt 」の評価( ２ ) 　


４　mruby/c ボードの開発状況 (1)mruby/c が動く状態のマイコン　−　マイコンのフラッシュ内に mruby/c の VM を　　書き込み済みで配布する　※ PSoC5 を搭載(2)IDE　−　ケーブルで接続するだけで　　　 mruby/c のマイコン開発を可能にする(3) ローカル／クラウドコンパイラ

５　mruby/c のデモ Zigbee インターネット

センサーボードmruby/c

マイクロサーバーCRuby ブラウザ


Software

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