RXマイコンの開発環境をバージョンアップ

RXマイコンの開発環境をアップグレード

気がつくと、gcc は 10.1.0 がリリースされており、RX マイコンも RXv3 コアがリリースされた事などから、そろそろ、開発環境を見直す時期なのかもしれない。

RX72N の RXv3 コアで大きく変わった事と言えば、倍精度の浮動小数点演算命令がサポートされた事だと思う。
※RXv3 コアでも、倍精度浮動小数点演算をサポートしない、RX66T、RX72T、などがあり多少複雑だ。
※他に、三角関数演算器が追加された。(ただ、この演算器については、使い方が隠蔽されており、実際に使える状態になるのは、メーカーのサポートが必要になると思われる。)

CC-RX では、当然サポートされるだろうけど、GNU-RX でサポートされるかは、今の処不明となっている。
※GNU-RX は gcc-4.8.x をベースにしており、本流のツリーにマージしていない事から、gcc でサポートされる可能性は非常に低いと考えられる。

それもあって、倍精度の命令を生成する仕組みを gcc に実装するにはどうしたら良いかを考え始め、情報を集めている。

binutils-2.34(アセンブラ)は、RXv3 の命令をアセンブル出来るようになっており、問題は無いものと思う。

まずは、binutils をアップグレード

今まで、binutils-2.30 を利用してきたが、このバージョンでは、RX マイコンの RXv3 で新設された命令をアセンブルする事が出来ない。

GNU assembler (GNU Binutils) 2.30

 RX specific command line options:
  --mbig-endian-data
  --mlittle-endian-data [default]
  --m32bit-doubles [default]
  --m64bit-doubles
  --muse-conventional-section-names
  --muse-renesas-section-names [default]
  --msmall-data-limit
  --mrelax
  --mpid
  --mint-register=<value>
  --mcpu=<rx100|rx200|rx600|rx610|rxv2>
  --mno-allow-string-insns

そこで、binutils-2.34 を使う

GNU assembler (GNU Binutils) 2.34

 RX specific command line options:
  --mbig-endian-data
  --mlittle-endian-data [default]
  --m32bit-doubles [default]
  --m64bit-doubles
  --muse-conventional-section-names
  --muse-renesas-section-names [default]
  --msmall-data-limit
  --mrelax
  --mpid
  --mint-register=<value>
  --mcpu=<rx100|rx200|rx600|rx610|rxv2|rxv3|rxv3-dfpu>
  --mno-allow-string-insns

rxv3、rxv3-dfpu が追加されている。

C/C++ コンパイラは、gcc-7.5.0 を使う

現在、gcc-10.1.0 がリリースされているので、色々試してみたが・・・

gcc-9.x 系 ---> デバッグビルド(最適化 -O0 で、割り込みベクターを伴った関数で、gcc がストールする)
gcc-8.x 系 ---> デバッグビルド(最適化 -O0 で、割り込みベクターを伴った関数で、gcc がストールする)
gcc-7.5.0 ---> 問題無し

本来、gcc のストールは、フルバグレポートを送る必要があると思うが、レポートの作り方や送り方を調べるのは時間がかかりそうなので、それは追々対応してみたいと思う。

RX マイコンの専用コードは、6.4.0 とあまり変わらないが、とりあえず、7.5.0 をビルドして実行バイナリーの動作をテストしてみた。
※色々、テストしたが、7.5.0 が安定しているようだー

gcc version 7.5.0 (GCC)
The following options are target specific:
  -fpu                        Enable the use of RX FPU instructions.  This is
                              the default.
  -m32bit-doubles             Stores doubles in 32 bits.  This is the default.
  -m64bit-doubles             Store doubles in 64 bits.
  -mallow-string-insns        Enables or disables the use of the SMOVF, SMOVB,
                              SMOVU, SUNTIL, SWHILE and RMPA instructions.
                              Enabled by default.
  -mas100-syntax              Generate assembler output that is compatible with
                              the Renesas AS100 assembler.  This may restrict
                              some of the compiler's capabilities.  The default
                              is to generate GAS compatible syntax.
  -mbig-endian-data           Data is stored in big-endian format.
  -mcpu=                      Specify the target RX cpu type.
  -mgcc-abi                   Enable the use of the old, broken, ABI where all
                              stacked function arguments are aligned to 32-bits.
  -mint-register=             Specifies the number of registers to reserve for
                              interrupt handlers.
  -mjsr                       Always use JSR, never BSR, for calls.
  -mlittle-endian-data        Data is stored in little-endian format.
                              (Default).
  -mlra                       Enable the use of the LRA register allocator.
  -mmax-constant-size=        Maximum size in bytes of constant values allowed
                              as operands.
  -mpid                       Enables Position-Independent-Data (PID) mode.
  -mrelax                     Enable linker relaxation.
  -mrx-abi                    Enable the use the standard RX ABI where all
                              stacked function arguments are naturally aligned.
                              This is the default.
  -msave-acc-in-interrupts    Specifies whether interrupt functions should save
                              and restore the accumulator register.
  -msim                       Use the simulator runtime.
  -msmall-data-limit=         Maximum size of global and static variables which
                              can be placed into the small data area.
  -mwarn-multiple-fast-interrupts Warn when multiple, different, fast interrupt
                              handlers are in the compilation unit.
  -nofpu                      Disable the use of RX FPU instructions.

newlib は、2.4.0 のままとした。

newlib は、バージョンを上げる場合に注意を要するので、無難な選択として、2.4.0(変更しない)とした。

RX フレームワークをビルドする。

コンパイラが出来たら、全体のプロジェクトをビルドする、まず「debug」ビルドからー

sh all_project_build.sh -debug clean

...

sh all_project_build.sh -debug

問題無い!

次にリリースビルド・・・

sh all_project_build.sh clean

...

sh all_project_build.sh

これも問題無い!、いくつかのバイナリーを実際に動かしてみたが、特に問題になるような動作は認められなかった。

gcc に倍精度命令を出力させる件は時間がかかりそうなので、調査を続ける事として、当面、開発環境は、これで行く事にする。

binutils-2.34
gcc-7.5.0
newlib-2.4.0

MSYS2 で作成した gcc のバイナリーをリンクにアップロードしてある。

CP2102Nを使ったUSBシリアル基板

PCBGOGO で作成した基板

以前に、別件で、PCBGOGO で基板を作る際、同時に注文したもので、部品も揃っていたのだが、ハンダペーストが無かったのもあって、ほったらかしにしていた・・・
※10枚作って、$5だった、安!、送料は$17とかだった・・

それをようやく組み立てた。

ハンダ付けに苦労はしたが、何とか組み立て、接触不良無く、一発で動作した。
※パッドの形状などから、QFN20 のハンダ付けが一番不安だった・・・

KiCAD プロジェクト一式

Silicon Labs CP2102N について

中華の格安モジュール基板で「CP2102」は大量に出回っているのだけど、「CP2102N」は少ない。
仕様的には同じ部分も多いが、マイナーチェンジ版の「N」は、もう一息だった部分が改良されていて、申し分のないものになっている。

  • 一台の PC に複数のデバイスを繋いだ場合の挙動が改善されている。
  • FTDI のメジャーチップより高性能で、同じボーレートでも、送信も受信も速い。
  • カスタムするツールの導入が簡単で、専用の ID や文字列を埋め込める。
  • 安い!(QFN24 で @160 くらい)

QFN パッケージの憂鬱

CP2102N は、パッケージとして、QFN20、QFN24、QFN28 などがあるのだが、KiCADでトラックを引く前に、部品を発注してしまった・・

QFN パッケージでも、手ハンダで取り付け出来るのだが、QFN20 は、角のピンが隠れているし、裏面にGNDパターンがあり、手ハンダでは難しい事が判って、大いに後悔した・・・

QFN24 にしとけば良かった・・・

ハンダペーストを楊枝で、適当に塗って、コテライザーを使って、溶かして付ける。

念の為、フラックスを塗って、サイド側からハンダコテを当ててパッドにハンダを盛る。

これで、何とかなったようだ・・・

接触不良も無く、動いているようだー。

タカチのケースに入れる事を考えた形状

初めから、タカチのケースに入れる事を考えて作ったのだが、急いでいた事もあって、イマイチだった・・・

基板をリューターで削って、何とかなった。
※一応、隅に配線が通らないようにはしている。

3.3V のレギュレータ

RXマイコンでは、3.3Vで動かす事が多いので、3.3Vの三端子を載せてあり、電源電圧として、5V、3.3Vを切り替え出来る。

チップ部品は結構大変

あまり考えずに、1608サイズのチップ部品にしたが、手ハンダはキツイ!
何か、治具を作らないと綺麗に配置するのは難しいかもしれない、視力が衰えている事もあるが、ルーペで拡大しないとならないし、ハンダ付けする時部品を押さえておかないとならない。

rx_prog の不具合?

FTDI より 高速に送信、受信が出来るものの、大きなファイルを書き込むと、エラーで止まる現象が起こる。
※FTDIでも発生していたのだが・・

原因は調査中だが、CP2102Nの問題では無さそうで、MSYS2のPOSIX系シリアルドライバーのハンドリングにありそうだ、こちらは、簡単に原因を見つけられなかったので、解析中。

2020-06-08 01:10:15 Monday
問題は解決したものと思う:

  • erase-page、write-page のループで、間隔を空けないで、次のコマンドを送ると、RXマイコン側がストールするようだ。
  • erase-page の場合、ページ(256バイト)毎に2ミリ秒の待ちを入れた。
  • write-page の場合、ページ(256バイト)毎に5ミリ秒の待ちを入れた。
  • 上記待ちを入れた状態で、ストールせず、正常に書き込めた。
  • 待ちを入れない場合、RXマイコン側でバッファオーバーランなどが発生するのかも・・
  • この修正は、コミットした。(rx_prog)

2020-06-09 04:34:32 Tuesday

  • rx_prog を拡張して、erase-page-wait、write-page-wait パラメーターを追加。
  • rx_prog.conf にも変数を追加。
  • 設定は、マイクロ秒単位、標準で、それぞれ、2000、5000を設定してある。

FTDIとシリコンラボで、ボーレートが同じでも全体のパフォーマンスが異なるのは・・
以下のような理由によるものと思う:

  • 基本的にドライバーの違いのようだ。
  • FTDIでは、小さいパケットを送ると、「都度送る」
  • シリコンラボの場合は、「貯めて送る」と、「バッファにあったら送る」
  • USBサービスの関係から、「都度送る」と間隔が空いてしまうようだ。
  • ハンドシェークを行わない場合、受け手の仕様によっては、相性問題が発生するかもしれない。
  • 受け手の作りが「甘い」と、FTDIの方が相性が良い事になる感じか・・

FTDI と シリコンラボ速度比較

AUDIO_sample/RX64M/audio_sample.mot (628460 バイト)

rx-elf-size audio_sample.elf
   text    data     bss     dec     hex filename
 541476      48   86936  628460   996ec audio_sample.elf
-rw-r--r-- 1 hira hira 1353908  6月  8 03:13 audio_sample.mot

FTDI(FT232XS) @230 秋月電子:

time rx_prog -P COM5 -d RX64M --progress --erase --write --verify audio_sample.mot
Erase:  #################################################
Write:  #################################################
Verify: #################################################
0.39user 1.90system 5:57.08elapsed 0%CPU (0avgtext+0avgdata 9304maxresident)k
0inputs+0outputs (2442major+0minor)pagefaults 0swaps

※FTDIのメジャーデバイス、FT232RL(@400) でも結果は同じ。


SiliconLabs(CP2102N) @160 DigiKey:

time rx_prog -d RX64M --progress --erase --write --verify audio_sample.mot
Erase:  #################################################
Write:  #################################################
Verify: #################################################
0.28user 1.09system 1:51.59elapsed 1%CPU (0avgtext+0avgdata 9372maxresident)k
0inputs+0outputs (2460major+0minor)pagefaults 0swaps

上記のように3倍以上違い、値段も安い!

なので、CP2102N を使うべきー

RX72N Envision Kit での開発(その5)GUI編

GUI_sample (RX65N/RX72N Envision Kit)

C++ GUI フレームワーク

RX65N Envision Kit から採用された GUI ライブラリとして、emWin が既にあります。

ですが、これは C で実装されており、アプリケーションを作るには、ハードルが高いと思えます。

以前に PC 向けに、OpenGL を描画エンジンとして使った、GUI フレームワーク glfw3_app を実装した経緯があり、GUI 操作に必要な構成は研究して判っているつもりなので、それらの知見を使い、組み込みマイコンでも扱いやすいようにダイエットした GUI Widget のフレームワークを実装しました。

「漢字」が標準で使えるのも特徴です。
※現在は16x16ピクセルのフォント「東雲16ドット漢字フォント」を利用させてもらっています。
※メモリに余裕があるので、ROM 領域にビットマップとして持っています。(260キロバイト程度消費する)
※漢字が必要無い場合は、含めない事も出来ますし、又はSDカードから読み込んでキャッシュする事も出来ます。

描画に関しては、DRW2D エンジンが無くても利用可能なように、現在はソフトウェアーで処理しています。
※RX64M/RX71M などに LCD をバス接続した場合や、フレームバッファ内蔵の LCD を接続する場合を考慮しています。
※DRW2D でアクセレートする事も可能な構造にしてあります。(DRW2D 版は開発中)

このフレームワークでは、記憶割り当てを使わない事を念頭に設計してあり、比較的小規模なアプリ向けとして機能を絞ってあります。
もっと「リッチ」な物が必要なら、新たに実装して追加出来る余地も残してあります。

現状で、用意してあるのは以下の Widget です。
※ソースコードは、「RX/graphics」以下にあります。

Widget 機能 ソース 完成度
frame フレーム frame.hpp
button ボタン button.hpp
check チェックボックス check.hpp
radio ラジオボタン radio.hpp
slider スライダー slider.hpp
menu メニュー menu.hpp
spinbox スピンボックス spinbox.hpp ×
group グループ管理 group.hpp

「見た目」は、シンプルなものにしてあり、ピクセルデータを用意する事無く、プリミティブの組み合わせで描画しています。

今後、必要な widget を拡充して行く予定です。

全体の構成

GUI は一般的には、メッセージ通信により、機能を提供する事が一般的だと思います。
※代表的なのは Windows でしょうか・・

ただ、この方式は、冗長なコードになりやすいし、機能が複雑になるとメッセージの順番や、メッセージのマスクなど、トリッキーなコードになりやすいと思います。

このフレームワークでは、「同期式」と呼ばれる、リアルタイムなゲームで使われるようなシステムを使っています。

画面の更新は 60Hz 程度なので、それに合わせて、タッチパネルの情報を取得して順次処理を行っています。

又、C++ の機能を積極的に利用する事で、シンプルな構成に出来、アプリケーションを実装しやすくします。

GUI 部品管理

この GUI フレームワークでは、管理する Widget の数をテンプレートで定義しています(有限個)。

    // 最大32個の Widget 管理
    typedef gui::widget_director<RENDER, TOUCH, 32> WIDD;
    WIDD        widd_(render_, touch_);

new などを使い、動的に増やす事も出来ますが、メモリが足りなくなった場合の対応を考えると、「有限数」の方が管理し易いように思います。

LCD は 4.3 インチで、解像度も 480 x 272 程度と小さいので、PC のディスクトップのように、複雑でリッチな GUI は、当面必要無いと思える為です。


C++ での実装で、少し問題な点があります、現状の実装では、widget の追加と削除は、グローバル関数としています。

extern bool insert_widget(gui::widget* w);
extern void remove_widget(gui::widget* w);

この関数は、「widget_director」テンプレートクラス内の API「insert、remove」を呼ぶようにしなければなりません。
そこで、サンプルでは、以下のように、widget_director のインスタンスを置いてあるソースで定義してあります。

/// widget の登録・グローバル関数
bool insert_widget(gui::widget* w)
{
    return widd_.insert(w);
}

/// widget の解除・グローバル関数
void remove_widget(gui::widget* w)
{
    widd_.remove(w);
}

※他に良い方法を思い付かなかったので、このように、あまりスマートとは言えない方法になっています。
※こうしておけば、widget_director を複数持って、場合により、切り替える事も出来そうです。

widget_director は、描画ループの中から「update」を呼び出せば、全ての管理が行われます。

    while(1) {
        render_.sync_frame();
        touch_.update();

        widd_.update();

...

    }

※「touch_.update();」は、タッチパネルインターフェース(FT5206)のサービスです。
※widget_director テンプレートでは、レンダリングクラスと、タッチパネルクラスの型を必要とし、コンストラクター時、参照で与えます。

    // GLCDC 関係リソース
    typedef device::glcdc_mgr<device::GLCDC, LCD_X, LCD_Y, PIX> GLCDC;

    // フォントの定義
    typedef graphics::font8x16 AFONT;
//  for cash into SD card /kfont16.bin
//  typedef graphics::kfont<16, 16, 64> KFONT;
    typedef graphics::kfont<16, 16> KFON
    typedef graphics::font<AFONT, KFONT> FONT;

    // DRW2D レンダラー
//  typedef device::drw2d_mgr<GLCDC, FONT> RENDER;
    // ソフトウェアーレンダラー
    typedef graphics::render<GLCDC, FONT> RENDER;

    GLCDC       glcdc_(nullptr, reinterpret_cast<void*>(LCD_ORG));
    AFONT       afont_;
    KFONT       kfont_;
    FONT        font_(afont_, kfont_);
    RENDER      render_(glcdc_, font_);

    FT5206_I2C  ft5206_i2c_;
    typedef chip::FT5206<FT5206_I2C> TOUCH;
    TOUCH       touch_(ft5206_i2c_);

    // 最大32個の Widget 管理
    typedef gui::widget_director<RENDER, TOUCH, 32> WIDD;
    WIDD        widd_(render_, touch_);

widget 親子関係とグループ化

widget は、階層構造が可能なようにしてあり、座標管理も差分で行えるようにしてあります。
※その為、親、子、関係があります。

また、ラジオボタンのように、自分の変化を受けて、他も変化が必要な場合があり、この場合、グループ化が役立ちます。

以下のように、3つのラジオボタンをグループ化しておけば、チェック、アンチェックの管理は自動で行えます。
※ラジオボタンの実装では、自分の状態が変化した時、「自分の親」に登録されている、「子」で、ラジオボタンを調べて、その状態を変更しています。

    typedef gui::group<3> GROUP3;
    GROUP3      group_(vtx::srect(   10, 10+50*2, 0, 0));
    typedef gui::radio RADIO;
    RADIO       radioR_(vtx::srect(   0, 50*0, 0, 0), "Red");
    RADIO       radioG_(vtx::srect(   0, 50*1, 0, 0), "Green");
    RADIO       radioB_(vtx::srect(   0, 50*2, 0, 0), "Blue");

※ラジオボタンは、グループ化する為、グループ座標の差分となっている。
※各 widget では、サイズ指定で「0」を指定すると、標準的なサイズがロードされます、この定義は、各 widget 内で定義されています。

C++ では、オペレータを使って、特別な機能を割り当て出来ます。
この場合、「+」は、group への、radio ボタン登録として機能します。

    // グループにラジオボタンを登録
    group_ + radioR_ + radioG_ + radioB_;

コールバックとラムダ式

C++ では、C++11 からラムダ式が使えるようになりました。

GUI の操作では、何か「変化」が発生した場合に、コールバック関数が呼ばれます。

C++ では、std::function テンプレートを使っています。

たとえば、button widget では、以下のように定義してあります。

    typedef std::function<void(uint32_t)> SELECT_FUNC_TYPE;

ボタンが押された(ボタンをタッチして、離れた瞬間)時、押された回数をパラメータに、コールバック関数が呼ばれます。

C++ では、ラムダ式が使えるので、コールバック関数を登録しないで、ラムダ式により、直接動作を実装出来ます。

    button_.at_select_func() = [=](uint32_t id) {
        utils::format("Select Button: %d\n") % id;
    };

これは、非常に便利で、アプリケーションを作成する時は大いに役立ち、シンプルに実装出来ます。
※クラス内の場合は、キャプチャーを「[this]」とする事で、クラス内のメソッドを呼べるようになります。

GUI サンプルのメイン

サンプルでは、一通りの GUI を定義、登録して、各 widget にラムダ式を使って、挙動を表示(シリアル出力)するようにしています。

widget の定義と登録:
※各 widget のコンストラクターで、widget_director へ登録される。

    typedef gui::button BUTTON;
    BUTTON      button_  (vtx::srect(   10, 10+50*0, 80, 32), "Button");
    typedef gui::check CHECK;
    CHECK       check_(vtx::srect(   10, 10+50*1, 0, 0), "Check");  // サイズ0指定で標準サイズ
    typedef gui::group<3> GROUP3;
    GROUP3      group_(vtx::srect(   10, 10+50*2, 0, 0));
    typedef gui::radio RADIO;
    RADIO       radioR_(vtx::srect(   0, 50*0, 0, 0), "Red");
    RADIO       radioG_(vtx::srect(   0, 50*1, 0, 0), "Green");
    RADIO       radioB_(vtx::srect(   0, 50*2, 0, 0), "Blue");
    typedef gui::slider SLIDER;
    SLIDER      sliderh_(vtx::srect(200, 20, 200, 0), 0.5f);
    SLIDER      sliderv_(vtx::srect(440, 20, 0, 200), 0.0f);
    typedef gui::menu MENU;
    MENU        menu_(vtx::srect(120, 70, 100, 0), "ItemA,ItemB,ItemC,ItemD");

登録された GUI を有効にして、コールバック関数に、ラムダ式で挙動を実装する。

    void setup_gui_()
    {
        button_.enable();
        button_.at_select_func() = [=](uint32_t id) {
            utils::format("Select Button: %d\n") % id;
        };

        check_.enable();
        check_.at_select_func() = [=](bool ena) {
            utils::format("Select Check: %s\n") % (ena ? "On" : "Off");
        };

        // グループにラジオボタンを登録
        group_ + radioR_ + radioG_ + radioB_;
        group_.enable();  // グループ登録された物が全て有効になる。
        radioR_.at_select_func() = [=](bool ena) {
            utils::format("Select Red: %s\n") % (ena ? "On" : "Off");
        };
        radioG_.at_select_func() = [=](bool ena) {
            utils::format("Select Green: %s\n") % (ena ? "On" : "Off");
        };
        radioB_.at_select_func() = [=](bool ena) {
            utils::format("Select Blue: %s\n") % (ena ? "On" : "Off");
        };
        radioG_.exec_select();  // 最初に選択されるラジオボタン

        sliderh_.enable();
        sliderh_.at_select_func() = [=](float val) {
            utils::format("Slider H: %3.2f\n") % val;
        };
        sliderv_.enable();
        sliderv_.at_select_func() = [=](float val) {
            utils::format("Slider V: %3.2f\n") % val;
        };

        menu_.enable();
        menu_.at_select_func() = [=](uint32_t pos, uint32_t num) {
            char tmp[32];
            menu_.get_select_text(tmp, sizeof(tmp));
            utils::format("Menu: '%s', %u/%u\n") % tmp % pos % num;
        };

まとめ

やはり、GUI のような構造的な体系には、C++ が必要だと痛感します。

今回の GUI フレームワークで、widget は「継承」を使っていますが、GUI の部品はスタティックに定義してあり、「new」や「delete」もしません。
※実際は、偶然そうなっているのでは無く、「しなくて済むよう」に工夫しています。

複雑な構成のアプリケーションを実装したい場合、シーン管理を使って、各シーンで登場する GUI を定義、実装すれば、シーン毎に GUI の定義を別ける事が出来ます。
※「LOGGER_sample」を参照。(未完成で実装中です)

シーンの定義については、「common/scene.hpp」テンプレートクラスを参照して下さい。