良好なコンテキストスイッチでいろいろ遊べる、イタリア発のRTOS「ChibiOS/RT」：リアルタイムOS列伝（13）（3/3 ページ）

[大原雄介，MONOist]

取っつきやすい構成で機能の割に必要なリソースもわずか

　さて、背景説明はこの程度にして、RTOSとしてのChibiOS/RTについて紹介したい。以前の製品はChibiOS/RTだけだったが、最近は以下のように複数のコンポーネントに分けて提供されている。

• ChibiOS/RT：ChibiOS/RTそのもの。詳しくは後述
• ChibiOS/NIL：ChibiOS/RTのコンパクト版。最大構成でもコードサイズ1KB以下の完全スタティック構成
• ChibiOS/LIB：拡張ライブラリ。スレッド間通信や拡張メモリ制御、動的スレッドなどの機能を追加するもの
• ChibiOS/SB：Cortex-M3/M4/M7向け拡張。サンドボックス機能の提供と、さらにPOSIX「風」APIの提供を行う
• ChibiOS/HAL：いわゆるHAL。個々のMCUのGPIOやADC、SPIなどの周辺回路に対する高レベルのAPIを提供する
• ChibiOS/EX：開発ボードレベルのデバイス（例えばMEMSセンサーなど）向けのサービスを提供するものだが、詳細を見ると“Work in progress.”としか書かれていない。最新の21.6.0の場合、ADIの3軸加速度センサー「ADXL355」、Robert Boschの気体圧力センサー「BMP085」、それとSTマイクロの複数のセンサー向けにコードが用意されている
• ChibiStudio：EclipseベースのIDEとGNU compiler、OpenOCD debuggerとその他必要なツール類

　RTOS本体となるChibiOS/RTの特徴は以下のようになっている。

• マイクロカーネルベース。プリエンプティブなマルチスレッド構成。逆にスレッド以外の管理単位（Process/Job/Task/etc……）はなし
• 128レベルの優先度でスケジューリング。同一プライオリティのスレッド同士はラウンドロビンで制御
• ChibiOS/RTそのものはStatic構成。Dynamicなスレッド制御やメモリ管理などはChibiOS/LIBベースでサポート
• Full SMP対応
• スレッド間同期はSemaphore/Mutex/Condition Variable/Message/Event Flag&Handler/Queueなど。Message BoxはChibiOS/LIBで実装
• Software Timerをサポート。同期/非同期のI/Oをタイムアウト付きで実行可能
• Memory pool/Memory heapをThread Safeで実施可能
• 一部の周辺回路に関してはHALを利用可能
• コードのメモリフットプリントは5K〜10KB。最小構成にするとおおむね1.5KBに
• Context Switching（コンテキストスイッチ）は2〜10μs
• 対応言語はC
• その他FatFSやlwIP、WolfSSLなどが提供される

　ちなみにContext Switchingの実測結果は表1のようになっている。

MCU（プロセッサ／動作周波数）	ChibiOS/RT	ChibiOS/NIL
STM32F303（Cortex-M4／72MHz）	1.12〜1.92	1.49〜1.96
STM32G0（Cortex-M0+／64MHz）	1.69〜1.69	1.85〜1.85
STM32G4（Cortex-M4／170MHz）	0.39〜0.58	0.47〜0.67
STM32H7（Cortex-M7／480MHz）	0.14〜0.19	0.12〜0.18
表1　Context Switchingの実測結果。数値の単位はいずれもμs

　これらの数字はPerformance Tableに示されているが、特徴のところで挙げた10μsという数字は、もっと動作の遅いMCUを利用した場合と思われる（数字のばらつきは、FPUの有無およびGCC/IAR/Keilのどれを使ってビルドしたかに依存する）。

図4　“ChibiOS General Architecture”より抜粋。OSレイヤーの上にHALがある（クリックで拡大）

　ここでちょっと面白いのがHAL。筆者が知っているHALと明らかに違う（図4）。実際特徴としても“ChibiOS/RTはHALに一切影響を受けない”が挙げられており、世間一般で言うところのHALに相当するのは、ChibiOS/RTの中の“RT Port Layer”に近い。とはいえ、ChibiOS/RTの方式のHALでも別に困らない（というか、むしろこの方が楽）なのは事実であるが。

　対応プラットフォームは、やはりSirio氏がSTマイクロの社員（≒STマイクロのMCUや開発ボードの入手が容易）ということもあってか、STM32やSTM8のサポートが手厚い。ただし、STマイクロ／フリースケール系のPowerPCや、Cortex-MでもNXP SemiconductorやAtmelのMCUがサポートされているし、他にもAtmelの「Mega AVR」やTIの「MSP430」、Microchipの「PIC32MX」、古いところではフリースケールの「Coldfire」やルネサスの「H8S」、最近だと「Raspberry Pi」への移植も行われている。RISC-V向けは教育目的で移植された例は報告されているが、Sirio氏いわく「面白そうだしやってみたいけど時間がない」などとリプライしているあたり、完全な移植が行われるまでまだ時間がかかりそうだ。

　現状STマイクロのMCU以外で使うにはそれなりの作業は必要そうだが、取っつきやすい構成ではあるし、機能の割には使うリソースもわずかで、RTOSを遊んでみるのには悪くない題材かもしれない。Context Switchingの数字からも明らかなようにリアルタイム処理の性能も悪くない。「とにかくリアルタイム性能が欲しい」なんて場合に考慮するRTOSの一つであろう。