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ウェッブエンジニアの

ローレベル

プログラミング

cho45

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自己紹介

www.lowreal.net 仕事はウェブ(Perl, JavaScriptなど)

​

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今回の内容

  1. ARM assembly のススメ
  2. ハードウェアプログラミング
  3. さらにローレベルへ

​

どんどこ掘っていく感じで

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ウェッブアプリ

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JavaScript

Perl / Ruby

HTML, CSS

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生まれたときから

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Lightweight

Language

は自然にあった

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参考:

Perl : 1987年生(12月)

cho45: 1987年生(1月)

​

​

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C言語

​

言語バインディング用

にしか書かない

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一方で

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某スーパークリエイター

「なんかドライバなかったから

書いた」

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すごい人は下から上まで全部できる

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こんな経験はありませんか?

  • アセンブラ読めないし目をそむける
  • レジスタって何
  • 教科書の「こんぴゅーた の しくみ」�と現実のコンピュータとが一致しない
  • リンカって実際何するの?

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ARM/Linux 用のアセンブリのススメ

なぜ ARM/Linux か?

​

  1. x86 と比べて命令数がだいぶ少ない
  2. スマフォはだいたいARM Linux / Raspberry Pi も
  3. レジスタ名が大変わかりやすい�r0〜r15 32bit レジスタ
  4. Linux 上で動かせばデバッグしやすい

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参考：ARM 実機がない場合

ARM Linux EABI / QEMU http://lowreal.net/2014/03/15/2

​

実機なしでも QEMU で簡単に環境をつくれます

​

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ARM のアーキテクチャ

  1. 基本 32bit 固定命令長 (16bitのモードもある)
  2. 演算は常にレジスタ対象�ロード/ストアアーキテクチャ�メモリを操作する命令は ldr/str のみ
  3. 殆ど全ての命令に条件を設定できる�cmp (比較命令) → 条件付の任意の命令(加算とかジャンプとか)�ARM の特徴的な仕様
  4. 命令一覧はググったら出てくる�結局、命令セットさえ簡単に検索できればコードは読める

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Linux ABI

ABI とはバイナリレベルでのOSとアプリ間の規則のこと

  • スタックはどうつむか?
  • システムコールはどう呼ぶか?

などを定めている。

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ARM Linux ABI

  • ARM OABI (Old ABI)
  • ARM EABI (Embed ABI)

​

の2つがある。

システムコールの呼びかたとかが普通に違ってる

​

EABI だけに言及します。

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exit するだけのプログラム

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obj-dump

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gdb でアセンブリもデバッグ可能

  1. as --gstabs+ foo.s でコンパイル
  2. gdb foo で起動
  3. info registers でレジスタの値が見れる

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簡単!!

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しかし何か作る目標がないと

学習のやる気がでない

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アセンブリで何を書くか?

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ウェブエンジニアなら

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ブログツール

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簡易 blosxom

ディレクトリを走査し、�テンプレートに従ってHTMLで表示するだけの CGI

​

アセンブリで書いたものが�ブラウザ上に出てくるのがおもしろい

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みちのり

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getenv

CGI 書きたいなら必須

​

Linux におけるメモリ上のプロセスイメージを知らないと書けない

getenv というシステムコールはない

​

ref. http://lowreal.net/2014/03/15/1

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プロセスイメージ

← こういうの

←←←←←← 環境変数はココ！！

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getdents

簡易 ls を書く

​

open/close など含めファイル関係になじむ

低レベルなディレクトリ構造体をいじる

​

ref. http://lowreal.net/2014/03/16/1

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sbrk/mmap

動的なメモリ確保

​

メモリにより親しむ

malloc の実装の違いを意識するように

おもしろい

​

ref. http://lowreal.net/2014/03/17/2

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← この部分

​

メモリ確保せずにアクセスすると

いわゆる SEGV する

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その他細かいこと

​

ファイル読みこみ

文字列置換

数値文字列化

割り算の実装

(ARM にはかなり新しくないと割り算命令がない)

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できました

​

http://lowreal.net/2014/03/21/1

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得られたこと

  • アセンブリへの親しみ
  • レジスタへの親しみ
  • CPUへの親しみ
  • メモリへの親しみ
  • Linux カーネルへの親しみ
  • gdb への親しみ
  • リンカへの親しみ

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コンピュータへの親しみ！！！

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ARM アセンブリオススメです!!

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結局書いてみないとわからない

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ARM の情報源

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第1部

​

完

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第2部

ハードウェアプログラミング

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昨今のコンピュータは

外部インターフェイスが RS-232C やプリンタポートから

USB や Thunderbolt などに移り変わり

気軽に使えるとはいいがたいものになった。

​

我々は長らく、ソフトウェアから気軽に�ハードウェアへアクセスする手段を奪われていた。

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　Raspberry Pi　

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スペックの低いパソコン�安い (4000円ぐらい)

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そこが重要ではない

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GPIO

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General Purpose

Input Output

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GPIO ↓↓

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奪われていた

Input / Output

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GPIO ↓↓

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GPIO ↓↓

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echo “high” > /sys/class/gpio/gpio23/direction

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とりもどした

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ファイルシステム経由で

GPIO ピンの論理を変更できる

0V ←→ 3.3V

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ただし余り電流を流せないので、

電子回路の知識が必要

​

“トランジスタ スイッチング” とか

“FET スイッチング” とかでググる

​

Raspberry Pi は 3.3V

1ピン最大16mA / トータルで最大50mA

参考: 赤LED1つで10〜20mA程度

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もっと簡単に楽しむには

周辺機器とのハードウェアプロトコルを知る

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I2C

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I2C

2線式プロトコル

​

1つのバスを複数のデバイスで共有できる

バス上の全デバイスがマスターとなれる

いろんなモジュールが出ているので便利

​

繋ぐだけなので電子回路の知識は殆どいらない

(電圧だけ注意)

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I2C デバイスの例

​

温度計・湿度計・気圧計・モータードライバ

キャラクタ液晶ディスプレイ

ジャイロ・時計(RTC)・デジタルコンパス

など

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I2C 使いかた

​

Linux にドライバを組込めば

ファイルシステムからアクセス可能

LL で簡単にアクセス可能

​

どんなプロトコルか? は仕様を読む

http://www.i2c-bus.org/

機器ごとにアクセス方法が違うので

データシートを読む

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使いかたの例: ファイルシステム (i2c-dev)

open / ioctl / read / write / close あたりを使う

​

簡単な書きこみ例

​

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使いかたの例: ruby-i2c-devices

https://github.com/cho45/ruby-i2c-devices

​

i2c-dev または sysfs gpio による bit banging のラッパー

一部デバイスについては簡単に使える

  • MPL115A2 (気圧計)
  • よくある 16x2 の液晶 (だいたいプロトコルが共通)

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ruby-i2c-devices + MPL115A2

気圧計

工場校正値を取得して、ちょっと計算する必要がある

​

ライブラリで隠蔽してるので

すぐ hPa (ヘクトパスカル) とれる

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I2C と GPIO

を使えれば楽にいろいろできる

​

その他のキーワード: SPI, Serial (RS-232C)

​

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ところで

​

最近は Arduino というのもきく

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Raspberry Pi と Arduino の違い

Raspberry Pi

CPU: 32bit ARM 700MHz

メモリ: 512MB

OS: Linux

​

スペック低いパソコン

Arduino

CPU: 8bit AVR 16MHz

メモリ: 2kB (ATmega328)

OS: なし

​

使いやすいマイコン

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マイコン

→ マイクロコントローラ

​

組み込み機器で使われる小さなコンピュータ

ファームウェアを書きこむと、基本単独で動作する

​

できることは少ないが、パソコンとは用途が違う

(消費電力・CPUクロック同期など)

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Arduino は実情的には

​

いい感じマイコンボード + 開発環境 (IDE) + エコシステム

​

といえる

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Arudino スケッチ

IDE + C like な独自文法

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シールドと呼ばれる

外部連携ボードがいろいろ出てる

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Arduino は

入門にはいいが、ちょっと高すぎる

1台 2000円〜3000円

​

謎言語みたいなの嫌い

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なので Arduino の話は

しない

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ところで

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Raspberry Pi と Arduino の違い

Raspberry Pi

CPU: ARM 700MHz

メモリ: 512MB

OS: Linux

​

スペック低いパソコン

Arduino

CPU: AVR 16MHz

メモリ: 2kB (ATmega328)

OS: なし

​

使いやすいマイコン

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Raspberry Pi と Arduino の違い

Raspberry Pi

CPU: ARM 700MHz

メモリ: 512MB

OS: Linux

​

スペック低いパソコン

Arduino

CPU: AVR 16MHz

メモリ: 2kB (ATmega328)

OS: なし

​

使いやすいマイコン

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Raspberry Pi に

OS は必要か?

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bare metal

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やってみた

https://github.com/cho45/raspberrypi-bare-metal

​

OSレスでボード上のACT LED を点滅させる

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こんなかんじ (Lチカ)

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やってみた2

https://github.com/cho45/raspberrypi-mruby-bare-metal

​

mruby を OS レスで直接動かし、

GPIO を操作

​

→ LL が直接ボードで動いている

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こんな感じ

GPIO オブジェクトは

自作ライブラリ

​

このコードは直接Raspi上で

インタプリトされる

(mrubyのバイトコードで)

​

mruby 拡張書きやすくて最高

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実際に動かしてみるとおもしろい

ARM アセンブリの知識が生きます

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ただ、開発が大変…

キーワード: (JTAG, オンチップデバッグ)

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得られたこと

  • Linux カーネルへの親しみ
  • OS ブートプロセスへの親しみ
  • リンカへの親しみ
  • ナマで自分のコードが動く喜び

​

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第2部まとめ

  • Raspberry Pi はおもしろい
  • I2C なモジュールとの組合せは超簡単
  • ハードウェア入門に最適
  • OS レスで動かすのもワクワク体験

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第2部

​

完

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第3部

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もっとローレベルへ

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Raspberry Pi

は

I/O を解放した

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しかし

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我々は

まだ

囚われている

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第3部

〜ホストコンピュータからの《解放》〜

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Arduino は単体でも動く

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中身は AVR というワンチップマイコン

電源があれば単体で完全に動く

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AVR

  • ハーバードアーキチェクチャ�プログラムとデータはわかれている�データを実行することはできない
  • SRAM (メインメモリ)
  • EEPROM (不揮発性外部記憶)
  • クロックも組み込み (128kHz/1MHz/8MHz)�外付け水晶発振子で20MHzぐらいまで
  • クロック単位で同期したりするのが得意�(Raspi とかとは用途が違う)

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Arduino なんか捨てろ!!!

​

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ATmega328P 250円

ATmega168P 200円

ATTiny2313 150円

ATTiny13A 50円

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いろいろあって楽しい

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ただし初期費用としてライターに金がかかる

(3200円ほど)

チップ側と指定通り結線し、�USB経由で書きこむためのインターフェイス

​

もっと安くあがる方法もあるが

無難にこれぐらい買っといたほうがいい

​

Mac で問題なく開発可能です

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普通にCで開発可能

gcc

ただしコードサイズやメモリはそこそこ厳しい

gcc

普通のエディタで開発

gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc

gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc

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gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc

gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc

gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc

gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc gcc

​

​

​

​

​

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コンパイル

↓

書きこむ

↓

動かす

​

をループして開発

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Raspberry Pi と違い

1ピン 40mA まで出力できる

​

ATmega 系なら I2C 装備

​

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こんな感じのコード (Lチカ)

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Raspberry Pi ではできないことも…

  • ADC (Analog Digital Converter)�AVR にはだいたいついている�アナログ信号をサンプリングしてデジタル化する回路�(電圧計)

​

アナログセンサーを読みたいときには必須

ただ、使いこなすにはアナログ回路の知識が必要

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初期につくってみたもの

エレキー (for Ham Radio)

​

モールス符号を正確に打ちだすための

補助装置

​

1:3 の符号を正確に出力する

出力がただのon/offなので習作に最適

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こういうの

​

​

​

​

https://www.youtube.com/watch?v=rqAvbTJpZzs

(これの最初の方、右手で操作しているのがパドル、パドルの操作に応じて符号が自動で出力される)

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いくつか作った

  • オーソドックスなもの
  • 低消費電力にこだわったもの
  • 小さくボタン電池で動くようにしたもの

​

このぐらいの回路だと全部品の挙動を理解しながら作れる

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コード書いた結果が

直で消費電力に直結する

プログラミング

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電流計る

↓

コード変える

↓

電流変わる

↓

ウケる

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基本CPUを使いきることしか考えてない

↓

いかにCPUを使わないかという新鮮さ

​

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プログラマなら

マイコン使いこなすのも簡単

世界が広がっておすすめです

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自由を手にし身軽になった身体で

再びホストコンピュータと出会う

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I2C を使えば Raspberry Pi とは簡単

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しかし Raspberry Pi からも解放されたい

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AVR で USB デバイス

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USB 対応の AVR もあるが

V-USB (GPL) で安いAVRを

USB 対応にできる

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作ってみた: 振動するだけのマウス

接続するとポインタが震えるだけ

​

V-USB のサンプルをちょっといじっただけ

一瞬でできる

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こういうの

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V-USB 用のスケルトン

https://github.com/cho45/AVR-V-USB-Vendor-Skelton

​

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周辺機器も自由に作れるようになり

完全に解放…

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しかし

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まともな周辺機器を作るには

電子工学の知識が必須

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必要な知識

  • オームの法則 (V=IR)
  • 半導体 (ダイオード・トランジスタ・FET)

​

デジタル回路中心なら覚えることは少ない

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プログラムの考えかたを活かす

  • データシート(仕様書)読む
  • 問題の切り分け
  • モジュール化
  • 信頼性設計

→ ほとんどプログラム書くのと変わらない

ルールが物理ベースになっただけ

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勉強中

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完全解放までの道程は遠い

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つづく…

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まとめ

  • ARM アセンブリおすすめ
  • Raspberry Pi があるといろいろできる
  • AVR も覚えると夢が広がる
  • USB デバイスが作れるようになると夢が広がる
  • 回路設計もできると夢が広がる

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電子回路も

プログラムと同じように

学べば学ぶほど実になる分野

​

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最近は個人でハード設計もしやすい

基板外注

3Dプリンタ

など

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プログラミング初めたころのように

「毎日できることが増える！」という体験を

もう一度したいならオススメです

​

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外注自作基板に部品のせたところ

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まずは…

RaspberryPi + I2C モジュール

次に

Arduino または AVR

欲を出して

回路・基板設計

​

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電子工学学ぶついでに、

アマチュア無線を初めました

(コールサイン JH1UMV)

twitter: @JH1UMV

​

モールスの練習をしておりますので

よろしくお願いします