本研修について mruby 概要 mruby IoT フレームワーク Plato mruby ポーティング mruby ポーティング環境への Plato の適用 2

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mruby IoT framework ‘Plato’と

mrubyのポーティング研修テキスト

特定非営利活動法⼈軽量_{Rubyフォーラム} 特定非営利活動法⼈軽量_{Rubyフォーラム}

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本研修について

• mruby概要

• mruby IoTフレームワーク “Plato”

• mrubyポーティング

mrubyポーティング

• mrubyポーティング環境へのPlatoの適用

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mruby

概要

mruby

概要

“Ruby”を省リソース化した“mruby”の概要・特

徴

“Ruby”を省リソース化した“mruby”の概要・特

徴

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mrubyとは

• 高い生産性で人気の言語Rubyの軽量版

「mruby」

–

RAMサイズ200KB程度で動作可能

–

組込み機器にも搭載可能

–

組込み機器にも搭載可能

• 経済産業省「地域イノベーション創出研究開発

事業」の研究成果として2012年4月に

「mruby」を公開

事業」の研究成果として2012年4月に

「mruby」を公開

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Rubyの高い生産性

ソケット通信の実装例

require 'socket'

#include <stdio.h> _{require 'socket'}

begin sock = TCPSocket.open("192.168.1.1", 30000) 10.times { sock.write("Hello!!") } #include <stdio.h> #include <sys/socket.h> #include <arpa/inet.h> #include <string.h> int main(void) { int sock; C言語 (35行) Ruby } sock.close rescue => e p e end int sock; int i;

struct sockaddr_in svaddr; const char msg[] = "Hello!!";

if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0) { puts("socket() failed."); return 1; Ruby (10行) return 1; } memset(&svaddr, 0, sizeof(svaddr)); svaddr.sin_family = AF_INET; svaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.1"); svaddr.sin_port = htons(30000);

if (connect(sock, (struct sockaddr*)&svaddr, sizeof(svaddr)) < 0) { • 短いコード • 簡潔な記述 • ポインタ操作なし • メンテナンス性が高い sizeof(svaddr)) < 0) { puts("connect() failed."); exit(2); }

for (i=0; i<10; i++) {

if (send(sock, msg, strlen(msg), 0) != strlen(msg)) { • メンテナンス性が高い • コードが長くなりがち strlen(msg)) { puts("send() failed."); exit(3); } } close(sock); return 0; } • コードが長くなりがち • 処理が複雑になりがち • 危険なポインタ操作 • メンテナンス性が低い }

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mrubyの特徴

ISO, JIS規格のRubyに準ずる言語仕様

• ISO, JIS規格のRubyに準ずる言語仕様

–

本家Rubyと同様に使える

–

本家Rubyと同様に使える

• コンパクトな処理系「mruby VM」

–

mrubyコンパイラが出⼒するバイトコードを

実⾏

–

VMさえ動作すればどんな環境でも動作可能

Windows, Mac, Linux, ITRON, Android,

iOS ...

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補足： Rubyとmruby

Ruby mruby インタプリタ言語インタプリタ言語／コンパイラ言語 C言語モジュールの呼び出しが可能 C言語モジュールの呼び出し、C言語から C言語モジュールの呼び出しが可能 C言語モジュールの呼び出し、C言語からの呼び出しが可能実行時にRubyGemsで機能拡張が可能ビルド時にmrbgemsで機能拡張が可能実行時にRubyGemsで機能拡張が可能ビルド時にmrbgemsで機能拡張が可能 ※mrbgemsとRubyGemsとは互換性なし Integer同士の演算 → Integer Float同士の演算 → Float 演算結果が整数値→Integer 演算結果が浮動小数値→Float Float同士の演算 → Float 演算結果が浮動小数値→Float 非常に大きな整数値はBignumで扱われる非常に大きな整数値はFloatで扱われる正規表現を標準装備正規表現はオプション正規表現を標準装備正規表現はオプション ※複数から選択可能

ASCII, Shift_JIS, UTF-8など様々な文字文字コードはASCII, UTF-8のみ利用可能 ASCII, Shift_JIS, UTF-8

コードが利用可能 ASCII, UTF-8 ※UTF-8はオプションバイナリ配布（ソースコードも入手可）ソースコード配布 ※容易にカスタマイズ可能 ※容易にカスタマイズ可能

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mrubyを支えるコミュニティ

• オープンソースコミュニティ

–

3,700人超のフォロワー

オープンソース

–

3,700人超のフォロワー

–

200人以上のコントリビュータ

–

7,700件を超える改良・修正

・オープンソースとして成⻑・Creative ・Powerful

–

7,700件を超える改良・修正

https://github.com/mruby/mruby （mruby公開サイト）

• NPO軽量Rubyフォーラム

–

ワーキンググループによる活動

–

ワーキンググループによる活動

_{会員企業による商}

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IoT/M2M時代の新言語 - mruby

ものとインターネット、ものとものが繋がる → 全てのものがネットワークに繋がっていく → 全てのものがネットワークに繋がっていく組込み分野もフロンティア領域を重点分野として新しい市場が形成されていく → これに対応した組込み開発が必須になっていく → これに対応した組込み開発が必須になっていく経済産業省組込み開発の今後資料より

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Plato

mruby IoT framework

-mruby IoTフレームワーク “Plato”の概要

mruby IoTフレームワーク “Plato”の概要

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mruby IoT framework “Plato”

Plato (仮) - mruby IoT framework

• NEDO助成事業「組込みシステムの⾼効率開発を可能とする開発 • NEDO助成事業「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」にて開発中（〜2017/2）（九州工業大学、有明工業高等専門学校、SCSK九州）（九州工業大学、有明工業高等専門学校、SCSK九州） • mrubyによるIoT製品開発の効率化 • マイコンボードとシームレスに繋がる統合開発環境の提供 • マイコンボードとシームレスに繋がる統合開発環境の提供 • 組込み向けセキュリティ機能の提供 White-Tiger White-Tiger センサボード Plato IDE

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“Plato”で出来ること

mrubyによるIoT製品開発の効率化

• 組込み向けデバイスクラスライブラリの提供 • 組込み向けデバイスクラスライブラリの提供 • BLE、WiFi、ZigBeeなど様々な通信方式にも対応BLE、WiFi、ZigBeeなど様々な通信方式にも対応 • 典型的なアプリケーションの雛形を自動生成（Railsのように）（Railsのように） • シミュレータによるPC上でのシミュレーション

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“Plato”で出来ること

mrubyボード(enzi) + センサボード(White-Tiger)

• 汎用IO • 汎用IO • デジタル／アナログIO、UART、I2C、SPI • センサ • センサ • 温度、湿度、照度 • 通信デバイス • BLE • Wi-Fi • Wi-Fi • ZigBee • Ethernet • ファイルシステム • RTC • RTC

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“Plato”で出来ること

Plato IDE

• Visual Studio Codeベースの開発環境 • Visual Studio Codeベースの開発環境

（マルチ環境に対応） • アプリ構成、使用ライブラリをGUIで指定 • アプリ構成、使用ライブラリをGUIで指定 • アプリケーションのコンパイル • アプリケーションのコンパイル • アプリケーションのシミュレーション実⾏ • マイコンへのプログラム書き込み

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“Plato”で出来ること

セキュリティ機能 “Plato Guard”

IoT時代に必要となるセキュリティ機能をオプションで提供 IoT時代に必要となるセキュリティ機能をオプションで提供 • 認証機能による不正アプリケーション実⾏の防⽌（外部からの攻撃、乗っ取りから守る）認証機能による不正アプリケーション実⾏の防⽌（外部からの攻撃、乗っ取りから守る） • 暗号化による実⾏モジュール秘匿化 • 暗号化による実⾏モジュール秘匿化（アプリケーション資産の漏洩を防ぐ）

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“Plato”が目指すところ

○rduinoよりも簡単に組込み開発を

• mruby(Ruby)でプログラミングできる • mruby(Ruby)でプログラミングできる • 多くのマイコンボードに対応（バイトコード互換）多くのマイコンボードに対応（バイトコード互換） • 必要なデバイスに応じてVMをカスタマイズできる • 必要なデバイスに応じてVMをカスタマイズできる • mruby/cにも対応予定（⼩サイズ、省電⼒）（⼩サイズ、省電⼒）

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mrubyポーティング

マイコンボードへのmruby適用

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mrubyポーティング

mrubyポーティングのために必要なこと

• mrubyビルド環境の構築 • mrubyビルド環境の構築 • mrubyのクロスビルドmrubyのクロスビルド • ターゲットアプリへのmruby組込み

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mrubyビルド環境の構築

以下の環境を準備する。以下の環境を準備する。 • 開発OS • Microsoft Windows 開発OS • Microsoft Windows • Mac これら以外のOSも利⽤可能であるが、本書ではこれら２つにこれら以外のOSも利⽤可能であるが、本書ではこれら２つに限定して紹介する。 • 本家Ruby • 本家Ruby • Cコンパイラ • GNU Bison • git • git

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mrubyビルド環境の構築

本家Rubyの導入

Windowsの場合

• 下記サイトよりRubyInstallerをダウンロードし、最新版のRuby 環境インストールする。（Ruby 2.0以降を推奨）環境インストールする。（Ruby 2.0以降を推奨） https://rubyinstaller.org/

Macの場合

• Mac OSにプリインストールされているRubyが利⽤可能。 • Mac OSにプリインストールされているRubyが利⽤可能。

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mrubyビルド環境の構築

Cコンパイラの導入

Windowsの場合

• Cコンパイラを含むC言語開発環境をインストールする。利⽤可能な_{C⾔語開発環境の⼀例} 利⽤可能な_{C⾔語開発環境の⼀例}

• Microsoft Visual Studio • gcc (MinGW)

• gcc (Cygwin) • gcc (Cygwin)

Macの場合

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mrubyビルド環境の構築

GNU Bisonの導入

Windowsの場合

• 下記サイトよりBisonのインストーラをダウンロードしセットアップする。アップする。 http://gnuwin32.sourceforge.net/packages/bison.htm

Macの場合

• 以下のコマンドを実⾏してBisonをインストールする。

brew install bison brew install bison

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mrubyビルド環境の構築

gitの導入

Windowsの場合

• 下記サイトよりgit for Windowsのインストーラをダウンロード

しセットアップする。しセットアップする。 https://git-for-windows.github.io/

Macの場合

• 以下のコマンドを実⾏してgitをインストールする。

brew install git brew install git

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mrubyビルド環境の構築

mrubyのビルド

1. mrubyソースコードの入手とビルド 1. mrubyソースコードの入手とビルド以下のコマンドを実⾏し、_{mrubyソースコードを入手し、ビル} ドする。ドする。 cd <任意のディレクトリ>

git clone https://github.com/mruby/mruby git clone https://github.com/mruby/mruby cd mruby

make

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mrubyのクロスビルド

mrubyクロスビルドで必要な作業

• ターゲットボード用ツールチェインの入手 • ターゲットボード用ツールチェインの入手 • ビルドスクリプトの記述ビルドスクリプトの記述

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mrubyのクロスビルド

ターゲットボード用ツールチェインの入手

ターゲットボード向けのソフトウェア開発に必要なツールチェインターゲットボード向けのソフトウェア開発に必要なツールチェイン（コンパイラ・リンカなどのセット）をセットアップする。例えば、_{ARMプロセッサ⽤であれば以下のツールチェインが利⽤可} 例えば、_{ARMプロセッサ⽤であれば以下のツールチェインが利⽤可} 能。

GNU ARM Embedded Toolchain

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mrubyのクロスビルド

ビルドスクリプトの記述

mrubyのビルド構成はビルドスクリプト(build_config.rb)に記述さ mrubyのビルド構成はビルドスクリプト(build_config.rb)に記述されている。ターゲットボード向けにクロスビルドするには、 build_config.rbにクロスビルド用の記述を追加する必要がある。 build_config.rbにクロスビルド用の記述を追加する必要がある。 build_config.rbの概要ホスト(開発環境)用のビルド構成 MRuby::Build.new do |conf| end MRuby::Build.new('host-debug') do |conf| ホスト(開発環境)用のビルド構成 build/host デバッガ、unitテスト、ベンチマーク用の end MRuby::Build.new(’test') do |conf| end デバッガ、unitテスト、ベンチマーク用のビルド構成 build/host-debug build/test MRuby::Build.new(’bench') do |conf| end MRuby::CrossBuild.new('hoge') do |conf| build/test build/bench 追加するターゲット用のクロスビルド構成 MRuby::CrossBuild.new('hoge') do |conf| end 追加するターゲット用のクロスビルド構成 build/ターゲット名

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mrubyのクロスビルド

ビルドスクリプトの記述

build_config.rbに追加するクロスビルド⽤の記述例を以下に⽰す。 build_config.rbに追加するクロスビルド⽤の記述例を以下に⽰す。 MRuby::CrossBuild.new('hoge') do |conf| toolchain :gcc conf.linker.flags << “-m32“ リンカオプション conf.linker.flags << “-m32“ conf.cc do |cc| cc.command = 'arm-none-eabi-gcc' cc.flags = [] cc.flags << '-mcpu=cortex-m4‘ コンパイラオプション cc.flags << '-mcpu=cortex-m4‘ cc.flags << '-std=gnu99‘

cc.flgas << ‘-mfpu=fpv4-sp-d16 –mfloat-abi=soft‘ # 省略

end

conf.bins = []

コンパイラオプション

conf.bins = []

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mrubyのクロスビルド

クロスビルド実⾏

build_config.rbへのクロスビルド定義の追加が終わったら、mruby build_config.rbへのクロスビルド定義の追加が終わったら、mruby をリビルドすることでmrubyのクロスビルドが実施される。 cd mruby cd mruby

make clean all

ターゲット名を ‘hoge’ とした場合は、クロスビルドによって、以下のmrubyスタティックライブラリが生成される。

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mrubyのクロスビルド

ターゲットアプリへのmruby組込み

クロスビルドで作成した libmruby.a をターゲットアプリケーショクロスビルドで作成した libmruby.a をターゲットアプリケーションにスタティックリンクすることで、ターゲットアプリケーションにmrubyを組み込むことができる。にmrubyを組み込むことができる。ターゲットアプリケーションからmrubyを呼び出すためには mrubyのC APIを使用する。 mrubyのC APIを使用する。ターゲットアプリケーションからのmrubyの呼び出し例を以下に⽰す。す。

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mrubyのクロスビルド

ターゲットアプリへのmruby組込み

ターゲットアプリ(main.c)とC言語側から呼び出すmrubyアプリターゲットアプリ(main.c)とC言語側から呼び出すmrubyアプリ (app.rb)の例を以下に⽰す。 main.c main.c #include ”mruby.h” #include “mruby/irep.h” #include <stdio.h> #include <stdio.h> void main(void) {

extern uint8_t appbin[]; mrb_state *mrb = mrb_open(); mrb_value v; mruby VMの初期化 mrubyアプリケーションの実行 mrb_value v; v = mrb_load_irep(mrb, appbin); puts(mrb_string_value_cstr(mrb, v)); mrb_close(mrb); } mruby VMの終了 mrubyアプリケーションの実行 app.rb } mruby VMの終了 “Hello, mruby!“

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mrubyのクロスビルド

ターゲットアプリへのmruby組込み

以下のコマンドでmrubyアプリケーションをコンパイルする。以下のコマンドでmrubyアプリケーションをコンパイルする。 mrbc –Bappbin –o app.c app.rb

mrbc –Bappbin –o app.c app.rb

main.c、上記コンパイル結果(app.c)をコンパイルし、前述の libmruby.a と共にリンクすることで、mrubyを追加したターゲッ libmruby.a と共にリンクすることで、mrubyを追加したターゲットアプリケーションが完成する。ターゲットボード上で実⾏し、ターミナルソフトなどでターゲットボード上で実⾏し、ターミナルソフトなどで

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mrubyポーティング環境への

Plato適用

マイコンボード向けPlatoカスタマイズ

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mrubyポーティング環境へのPlato適用

Platoのボード対応に必要なこと

mruby IoT framework – Plato を新たなターゲットボードに対応 mruby IoT framework – Plato を新たなターゲットボードに対応させるためには以下が必要となる。

• Plato IDEへのターゲットボード登録 • Plato IDEへのターゲットボード登録 • デバイスI/F層ライブラリの実装

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mrubyポーティング環境へのPlato適用

Plato IDEへのターゲットボード登録

Plato IDEにターゲットボードを追加するには、以下の情報が必要と Plato IDEにターゲットボードを追加するには、以下の情報が必要となる。 • ターゲットボード名 • ターゲットボードID ターゲットボード名 • ターゲットボードID ターゲットボードIDはライブラリの識別⼦としても使⽤されるため、ターゲットボードIDはライブラリの識別⼦としても使⽤されるため、一意な名称を指定する必要がある。

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mrubyポーティング環境へのPlato適用

デバイスI/F層ライブラリの実装

Platoが提供するライブラリ群はmrubyライブラリ(mrbgems)形式 Platoが提供するライブラリ群はmrubyライブラリ(mrbgems)形式で実装されている。 Plato提供ライブラリ群のうち、デバイスI/F層のライブラリは動作環境毎に提供される。 Plato提供ライブラリ群のうち、デバイスI/F層のライブラリは動作環境毎に提供される。ターゲットボードを追加する場合には、ターゲットボードのデバイスI/F層ライブラリを実装・提供する必要がある。スI/F層ライブラリを実装・提供する必要がある。提供するライブラリは以下の命名規則に従う必要がある。 mruby-plato-XXXXX-<デバイスID>

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mrubyポーティング環境へのPlato適用

デバイスI/F層ライブラリの実装

参考までにenziボード用に提供されているデバイスI/F層ライブラリ参考までにenziボード用に提供されているデバイスI/F層ライブラリの一覧を示す。ライブラリライブラリライブラリライブラリライブラリ内容内容内容内容ライブラリライブラリライブラリ内容内容内容内容 mruby-plato-analogio-enzi アナログI/Oライブラリ mruby-plato-digitalio-enzi デジタルI/Oライブラリ mruby-plato-digitalio-enzi デジタルI/Oライブラリ mruby-plato-gpio-enzi GPIOライブラリ mruby-plato-i2c-enzi I2_{Cライブラリ} mruby-plato-machine-enzi マシンライブラリ (delay等) ※必須 mruby-plato-serial-enzi シリアル(UART) I/Fライブラリ

mruby-plato-spi-enzi SPIライブラリ

これらのうちマシンライブラリは必須であるが、それ以外は必要に応じて実装すれば良い。

mruby-plato-spi-enzi SPIライブラリ

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mrubyポーティング環境へのPlato適用

デバイスI/F層ライブラリのPlatoへの登録

作成したデバイスI/F層ライブラリをPlatoに登録するには、ライブ作成したデバイスI/F層ライブラリをPlatoに登録するには、ライブラリリストファイルを作成する必要がある。ライブラリリストファイルは以下に示すようなJSON形式で記述し、ライブラリリストファイルは以下に示すようなJSON形式で記述し、ファイル名を mgem-<デバイスID>.lst とする必要がある。ライブラリリストファイルの例 _{(mgem-hoge.lst)} ライブラリリストファイルの例 _{(mgem-hoge.lst)} { mrbgems: [ { “name”: “mruby-plato-machine-hoge”, “descriptrion”: “PlatoHoge::Machine class”, “descriptrion”: “PlatoHoge::Machine class”, “author”: “mruby developers”,