あなたがまだ探求できること

まだほんの表面をなぞったにすぎません！あなたが探求できることは、まだたくさん残っています。

注記: これを読んでいて、以下の項目やその他の関連する組み込みトピックについて、 Discovery book に例や演習を追加するのを手伝いたいと思ってくださるなら、ぜひ力を貸してください！

本書への貢献方法について支援やメンタリングが必要な場合は、open an issue を作成してください。あるいは、情報を追加する Pull Request を送ってください！

組み込みソフトウェアに関するトピック

これらのトピックでは、組み込みソフトウェアを書くための戦略を扱います。多くの問題はさまざまな方法で解決できますが、これらの節ではいくつかの戦略と、それらを使うことに意味がある場合（または意味がない場合）について説明します。

マルチタスク

これまでのプログラムのほとんどは単一のタスクを実行していました。OS がなく、したがってスレッドもないシステムで、どうすればマルチタスクを実現できるでしょうか。マルチタスクには主に 2 つのアプローチがあります。プリエンプティブマルチタスクと協調的マルチタスクです。

プリエンプティブマルチタスクでは、現在実行中のタスクは、任意の時点で別のタスクによって プリエンプト（割り込まれ）される可能性があります。プリエンプションが発生すると、最初のタスクは中断され、代わりにプロセッサは 2 番目のタスクを実行します。ある時点で最初のタスクは再開されます。マイクロコントローラは、割り込み という形でプリエンプションをハードウェア的にサポートしています。第 11 章でスネークゲームを作ったときに、私たちは割り込みに触れました。

協調的マルチタスクでは、実行中のタスクは 中断点 に到達するまで実行されます。プロセッサがその中断点に到達すると、現在のタスクの実行を停止し、代わりに別のタスクを実行します。ある時点で最初のタスクは再開されます。これら 2 つのマルチタスクのアプローチの主な違いは、協調的マルチタスクでは、実行中の任意の時点で強制的にプリエンプトされるのではなく、既知の 中断点で実行制御を譲ることです。

スリープ

これまでのプログラムはすべて、何かする必要があるかどうかを確かめるために、周辺機器を継続的にポーリングしてきました。しかし、ときには何もすることがありません！そのようなとき、マイクロコントローラは「スリープ」すべきです。

プロセッサがスリープすると、命令の実行を停止するため、電力を節約できます。電力を節約するのはほとんど常に良い考えなので、マイクロコントローラはできるだけ多くの時間をスリープ状態で過ごすべきです。しかし、何らかの動作を行うためにいつ起きなければならないかを、どうやって知るのでしょうか。「割り込み」（それが正確に何かは下を参照してください）は、マイクロコントローラを起こすイベントの 1 つですが、ほかにもあり、wfi と wfe はプロセッサを「スリープ」させる命令です。

マイクロコントローラの機能に関連するトピック

マイクロコントローラ（nRF52/nRF51 のようなもの）には多くの機能があります。しかし、多くのマイクロコントローラは、さまざまな種類の問題を解決するために使える、共通した機能を備えています。

これらのトピックでは、そのような機能のいくつかと、それらを効果的に組み込み開発で活用する方法について説明します。

ダイレクトメモリアクセス (DMA).

この周辺機器は、非同期の memcpy の一種です。micro:bit v2 を使っているなら、実はすでにこれを使っています。HAL が UARTE と TWIM 周辺機器でこれを代わりに行ってくれているからです。DMA 周辺機器は、データの一括転送を行うために使えます。RAM から RAM へ、UARTE のような周辺機器から RAM へ、あるいは RAM から周辺機器へ、といった転送です。たとえば「UARTE からこのバッファに 256 バイト読み込む」といった DMA 転送をスケジュールし、それをバックグラウンドで走らせたまま、完了したかどうかをレジスタをポーリングして確認できます。そうすれば転送の進行中に別の作業を行えます。これがどのように実装されているかをもっと知るには、 UART 章の serial_setup モジュールを確認できます。それでもまだ足りなければ、 nrf52-hal のコードを読み込んでみることさえできます。

割り込み

現実世界とやり取りするためには、何らかのイベントが発生したときに、マイクロコントローラが 即座に 応答する必要があることがよくあります。

マイクロコントローラには割り込みを受ける機能があり、つまり特定のイベントが発生すると、その時点で行っている処理をいったん止めて、代わりにそのイベントに応答します。これは、ボタンが押されたときにモーターを止めたい場合や、タイマーのカウントダウンが終了したときにセンサーを測定したい場合に、非常に役立ちます。

これらの割り込みは非常に便利ですが、正しく扱うのは少し難しいこともあります。私たちはイベントに素早く応答できるようにしたい一方で、ほかの処理も継続できるようにしておきたいのです。

Rust では、割り込みをデスクトップ Rust プログラムにおけるスレッドの概念に近いものとしてモデル化します。これは、メインアプリケーションと、割り込みイベントの処理の一部として実行されるコードのあいだでデータを共有するときに、 Rust の Send と Sync の概念についても考えなければならないことを意味します。

パルス幅変調 (PWM)

ひとことで言えば、PWM とは、何かをオンにしてから周期的にオフにすることを、「オンの時間」と「オフの時間」のあいだのある比率（「デューティサイクル」）を保ちながら繰り返すことです。十分に高い周波数で LED に対して使うと、これを使って LED を暗くできます。たとえば、オンの時間が 10%、オフの時間が 90% のような低いデューティサイクルでは LED はかなり暗くなりますが、オンの時間が 90%、オフの時間が 10% のような高いデューティサイクルでは、LED ははるかに明るくなります（ほとんどフルパワーで駆動されているかのようです）。

一般に、PWM は、ある電気機器にどれだけの電力を与えるかを制御するために使えます。マイクロコントローラと電動モーターの間に適切な（電力用の）電子回路があれば、 PWM を使ってモーターに与える電力の大きさを制御できるため、そのトルクや速度を制御するのに使えます。さらに、角度位置センサーを追加すれば、さまざまな負荷においてモーターの位置を制御できる閉ループコントローラを作れます。

PWM はすでに embedded-hal Pwm trait の中で抽象化されており、nrf52-hal にもこの実装があります。

デジタル入力

私たちは LED を駆動するために、マイクロコントローラのピンをデジタル出力として使ってきました。スネークゲームを作るときには、これらのピンをデジタル入力として設定する方法も少し見ました。デジタル入力として使うと、これらのピンはスイッチ（オン/オフ）やボタン（押されている/押されていない）の二値の状態を読み取れます。

デジタル入力もまた embedded-hal InputPin trait の中で抽象化されており、もちろん nrf52-hal にはその実装があります。

(ネタバレ スイッチ / ボタンの二値状態を読むのは、見た目ほど簡単ではありません ;-) )

アナログ-デジタル変換器 (ADC)

世の中には多くのデジタルセンサーがあります。I2C や SPI のようなプロトコルを使ってそれらを読み取れます。しかし、アナログセンサーも存在します！これらのセンサーは、測定している量に比例した電圧レベルを出力するだけです。 ADC ペリフェラルは、その「アナログ」の電圧レベル、たとえば 1.25 ボルトを、たとえば [0, 65535] の範囲にある「デジタル」の数値へと変換でき、プロセッサはそれを計算に利用できます。

ここでも、embedded-hal adc module と nrf52-hal がこの用途に対応しています。

デジタル-アナログ変換器 (DAC)

ご想像のとおり、DAC は ADC のちょうど反対です。あるレジスタにデジタル値を書き込むことで、ある「アナログ」ピンに [0, 3.3V] の範囲の電圧を出力できます（3.3V の電源を仮定）。このアナログピンが適切な電子回路に接続され、正しい値が一定の高速なレート（周波数）でレジスタに書き込まれると、音やさらには音楽まで生成できます！

リアルタイムクロック (RTC)

このペリフェラルは、「人間向けの形式」で時刻を追跡するために使用できます。秒、分、時、日、月、年です。このペリフェラルは、「tick」をこれらの人にとって扱いやすい時間単位へ変換してくれます。さらに、うるう年や夏時間まで処理してくれます！

その他の通信プロトコル

SPI。embedded-hal spi module で抽象化されており、nrf52-hal によって実装されています
I2S。現在は embedded-hal では抽象化されていませんが、nrf52-hal によって実装されています
Ethernet。smoltcp という小さな TCP/IP スタックが存在し、一部のチップ向けには実装されていますが、micro:bit に載っているものには Ethernet ペリフェラルがありません
USB。これについてはいくつか実験的な取り組みがあり、たとえば usb-device クレートがあります
Bluetooth。rubble という未完成の BLE スタックが存在し、nrf チップをサポートしています。
SMBUS。現時点では、embedded-hal で抽象化もされておらず、nrf52-hal による実装もありません。
CAN。現時点では、embedded-hal で抽象化もされておらず、nrf52-hal による実装もありません
IrDA。現時点では、embedded-hal で抽象化もされておらず、nrf52-hal による実装もありません

アプリケーションごとに使用する通信プロトコルは異なります。ユーザー向けのアプリケーションには通常 USB コネクタがあります。USB は PC やスマートフォンで広く普及したプロトコルだからです。一方、車の内部では多くの CAN 「バス」が見つかります。デジタルセンサーの中には SPI を使うものもあり、I2C を使うものもあれば、SMBUS を使うものもあります。

もし embedded-hal における抽象化や、一般的なペリフェラル実装の開発に興味があるなら、遠慮なく HAL リポジトリで issue を立ててください。あるいは Rust Embedded matrix channel に参加して、上記のものを作った人たちの大半と連絡を取ることもできます。

では、次はどこへ進みましょうか。いくつかの選択肢があります：

microbit ボードサポートクレートにあるサンプルを見てみることができます。これらのサンプルはすべて手元の micro:bit ボードで動作します。

Rust Embedded matrix channel に参加することもできます。組み込みソフトウェアに貢献している人や取り組んでいる人の多くがそこに集まっています。たとえば、microbit BSP、nrf52-hal、embedded-hal などを書いた人たちもいます。

今の Rust Embedded で利用できるものの全体像を知りたいなら、Awesome Rust Embedded リストを見てみてください

Real-Time Interrupt-driven Concurrency を見てみることもできます。非常に効率的なプリエンプティブ・マルチタスキングフレームワークで、タスクの優先順位付けとデッドロックのない実行をサポートしています。

embedded-hal プロジェクトのさらに多くの抽象化を見てみて、それを基に独自のプラットフォーム非依存ドライバを書いてみるのもよいでしょう。

別の開発ボードで Rust を動かしてみることもできます。始めるための最も簡単な方法は、 cortex-m-quickstart Cargo プロジェクトテンプレートを使うことです。

このモーションセンサーデモを試してみることもできます。実装の詳細とソースコードはこのブログ記事で確認できます。

Rust の型システムがどのように I/O 設定のバグを防げるかを説明しているこのブログ記事を見てみることもできます。

Rust による組み込み開発に関するさまざまなトピックについては、japaric’s blog を見てみることもできます。

Weekly driver initiative に参加して、 embedded-hal traits の上に構築され、あらゆる種類のプラットフォーム（ARM Cortex-M, AVR, MSP430, RISCV, など）で動作する汎用ドライバを書くのを手伝うこともできます。

Discovery