Python physicalcomputing

自己紹介！

 Twitter @nobonobo
 メカトロソフト屋
 PythonMatrixJp 運営の Pythonista
 ” あ”のつく会社の大阪オフィスで働いている。
 最近ホームページが出来ました！
http://osaka.accense.com/

Python を始めたきっかけ

 ８年前ロボットミドルウェア開発に携わった。
 CORBA が使えるスクリプトが必要だった。
 チャートからロボット動作の台本を作るツール。
 → 近未来家庭のセットでロボットのお芝居を

そのときの成果物は・・・

 いろいろ発展して使われているみたいです。

Python で
フィジカルコンピューティング

ハードに挑戦してみませんか？

なぜ今ハードなのか？

 最近ハードとソフトの融合が熱い！
 光ったり動いたり音出たりって単純に楽しい！
 新しいコミュニケーションの形が生まれるかも？

マルチタッチの躍進

 直感的な意志を機器に伝えられることができるよう
になった！
 GPS やコンパス、
加速度計を組合せて
 セカイカメラ
 TriSat

Kinnect の可能性

 すでに多くの応用ハックが！
 人の人数、顔や骨の姿勢まで推定できる！
 応用範囲が広すぎる！

いまこそハード＆ソフトだ！

 どちらか一方では成熟してきていて、
なかなか地味な変化しか生まれない。
 新しいなにかを求めるならハードとソフトの融合を。
 ソフト屋さんはハードを学ぼう！
 ハード屋さんはソフトを学ぼう！

Python でハードに絡む

 やり方は以下の３通り

a)ハード自体は専用言語で開発。 PC とハードをつ
ないで、 PC 上の Python から制御！
b)マイコン上で Python を動かす！
c)Python 記述をからハードそのものを作る！

PC にハードをつなぐ

 例えば・・・

Python モジュールの充実ぶりは異常

 PySerial
 PyParallel
 PyVISA （ GPIB ）
 PyUSB
 PyBluez （ Bluetooth ）
 python-wifi （ WiFi ）
 pypcap （ Ether ）
 etc...

ぜひやってみてください

 楽しいですよ〜

b) 案について

 専用言語で開発したくない！
 マイコンソフト開発に Python 使えないの？
 Python で書きたいでござる！
 Python のノウハウを生かしたいでござる！

そこで python-on-a-chip ですよ

 特徴
 Python バイトコードが走る VM
 マイコン向けに省メモリデザイン
 ガベージコレクタ搭載
 ROM64KB 、 RAM8KB あれば十分
 すでに十数種のマイコンで動作実績あり
 PyCon2009 の PyMite-LT で作者登壇
 GPLv2

従来のマイコン開発

 組み込みの世界はプロプライエタリツールだらけ
 コンパイル、リンク、バイナリ作成、ダウンロード
 手順が複雑で初心者泣かせ。
 マイコンごとに機能の違いや記述スタイルに差
 アプリのダイナミックロードは基本できない
 常にリビルド＆バイナリ作成＆ダウンロードの手間

今回のやり方だとなにがいいの？

 Python でアプリを組める！
 バイトコードだけ入れ替えてアプリを更新できる
 メモリ管理しなくていい
 エラー処理がある
 VM ならではの機能が使える

サポート機能

 boolean
 Integer / [float] / tuple / list / dict
 function / module / class
 generator / decorator
 thread （ green-thread ）
 対話型コンソール

残念ながらまだない

 Python コードコンパイラ
 足回りのモジュール
 初心者向けの環境

Python-on-a-chip の勘所

 実装コードの書き方
 バイトコード生成
 ユーザコードの配置戦略
 VM ポーティングのポイント
 実際のアプリコード紹介

実装コードの書き方

 書き方は３種類
 C 記述で機能実装
 Pure-python で機能実装
 Python 記述内に埋め込み C 記述

バイトコードの生成

 pyImgCreator.py というユーティリティを使う

ByteCode
Python 記述
Python 記述
Python 記述ｐｙ ImgCreator
C ソース
（埋め込まれた
C コードがあれば）

 もし C ソースが生成されたら必ず VM と一緒にリン
クする必要がある。

ユーザーコードの配置

 ユーザコードをどの段階で VM に渡すか？

ユーザコードから
ByteCode C ランタイム
生成した C ソース

ユーザの C ソース VM の C ソース

ビルド＆リンク

バイナリ

マイコン Flash ライター

VM ポーティングのポイント

 ６つのハンドラを実装するだけ
 plat_init() 初期化や準備
 plat_memGetByte() バイトコード取得
 plat_getByte()
 plat_putByte()
 plat_getMsTicks() 起動後経過時間取得
 plat_reportError() エラーハンドラ

実際のアプリコード

 メモリの読み書き API
def mem_read(addr): def mem_write(addr, value):
"""__NATIVE__ """__NATIVE__
pPmObj_t offset; pPmObj_t offset;
PmReturn_t retval = PM_RET_OK; pPmObj_t value;
pPmObj_t result; PmReturn_t retval = PM_RET_OK;
unsigned long *ptr; unsigned long *ptr;
if (NATIVE_GET_NUM_ARGS() != 1) { if (NATIVE_GET_NUM_ARGS() != 2){
PM_RAISE(retval, PM_RET_EX_TYPE); PM_RAISE(retval, PM_RET_EX_TYPE);
return retval;} return retval;}
offset = NATIVE_GET_LOCAL(0); offset = NATIVE_GET_LOCAL(0);
if (OBJ_GET_TYPE(offset) != OBJ_TYPE_INT) { if (OBJ_GET_TYPE(offset) != OBJ_TYPE_INT) {
PM_RAISE(retval, PM_RET_EX_TYPE); PM_RAISE(retval, PM_RET_EX_TYPE);
return retval;} return retval;}
ptr = (unsigned long *)(((pPmInt_t)offset)->val); value = NATIVE_GET_LOCAL(1);
retval = int_new(*ptr, &result); if (OBJ_GET_TYPE(value) != OBJ_TYPE_INT) {
NATIVE_SET_TOS(result); PM_RAISE(retval, PM_RET_EX_TYPE);
return retval; return retval;}
""" ptr = (unsigned long *)(((pPmInt_t)offset)->val);
pass *ptr = ((pPmInt_t)value)->val;
return retval;
"""
pass

実際のアプリコード

 ColorLED クラス
class ColorLed(object):
def __init__(self):
レジスタ初期設定
def set(self, r,g,b):
R,G,B 出力設定

PWM による電力制御

 パルス幅で電力出力を可変させる手法。
 最近のマイコンはたいがいこの機能を持っている。

のこぎり波ジェネレータ

 Python の記述でそのまんま
def gen(start):
phase = start
while 1:
phase += 1
phase &= 511
val = abs(phase-256)
if val<0:
val = 0
if val>255:
val = 255
yield val

動作デモ

 R と G と B でノコギリ波の初期値を 1/3 づつずらし
てジェネレータを初期化。
 あとは延々と RGB を出力してる。
def main():
cled = ColorLed()
r = gen(0)
g = gen(512/3)
b = gen(512*2/3)
while 1:
cled.set(r.next(),g.next(),b.next())
sys.wait(1)

できたらいいなぁ

 バイトコード生成が Python で出来ちゃうので。
 AppEngine 上に開発環境構築できないか？
 あとは足回りをしっかり揃えることで面白くなる。

python-on-a-chip まとめ

 組み込みノウハウに詳しい人とそうでない人が分
業するのに使える。
 苦労する部分を解決してしまえば、マイコン応用ア
プリがガンガン量産できる。
 OS に頼らなくてもマルチタスクが実現できる。

余談１：最近のハードウェア事情
● プログラマブルなハードデバイス
● さらっと紹介

FPGA/PLD

● コンフィグメモリを持ち
●
その内容により動作ロジックをカスタマイズ可能
●
ソフトの柔軟性を兼ね備えたハード

ASIC

● 一般に売られる「役割の決まった半導体」の製法
●
消費電力が少ない
●
作ってもらうのに大金と期間が必要
● FPGA で試作して ASIC で量産という流れが多い

研究・試作分野での FPGA

● 初期費用が少なくて済む
●
画像処理やリアルタイム処理など
●
１０ GbE や１００ GbE のファイヤーウォール
● ナノ秒オーダーでのスケジューリングが動く

方式の比較

変更の容易さ消費電力

ソフトウェア
（ DSP など） ◎ 高い

FPGA/PLD ○ 程々

ASIC × 低い

リアルの課題

● 現実の状況をより正確に把握するのは難しい！
●
人、車の動きを捉えること。
●
それもより現実的なスピードで！
● （人が通り過ぎたあとで人が通った事を知れても
役に立たない）

c) 案について

 もっとハードならではという事が色々できないの？
 リアルタイムに大量のデータを処理するとかできん
の？
 ハードは並列処理が得意なんだからそれを生かせ
ないの？

そこで MyHDL ですよ！

 特徴
 Python2HDL トランスレータ
 ジェネレータを使った並列ロジック設計及びシミュレー
ション
 波形データの出力機能
 他のオープンソースシミュレータとの連携
 活発な開発
 昨年末に０．７リリース
 LGPL

要するに

 Python で FPGA/PLD の開発ができるよ！
 予算があれば ASIC も！
 というプロジェクトです。

MyHDL による FPGA 開発手順

 Python コードによる機能モデル作成
 動確用シミュレーションモデル作成
 シミュレーション結果の検証
 HDL へのトランスレート
 論理合成

余談２：ハード屋の常識

● モックモデルの重視
●
ユニットテストの重視
●
DbC （ DesignByContract ）的な考えを重視
● つまり、実装コードよりもテストコードやモックコー
ドや制約ルールの方をたくさん書く事になる

ソフト業界で重視の間違いじゃね？

● 手戻りが許されにくい風潮もあってハード屋さんの
方が先にすんなり受け入れられた。
● ソフト屋さんは手直しすればよかったこともあって
導入が遅れたのかも？

MyHDL の基本デコレータ

 @always_comb
常に従う振る舞いを記述するのに使う
HDL に変換可能
 @always
特定タイミングの振る舞いを記述するのに使う
HDL に変換可能
 @instance
シミュレーション用シナリオを記述するのに使う
HDL には変換できない

実際のコード

 Python コード
from myhdl import *

LED_NUM = 24

def driver(clock, sin, latch, led):
shift_latch = Signal(intbv(0)[LED_NUM*3:])
output_latch = Signal(intbv(0)[LED_NUM*3:])
@always_comb
def combination():
led.next = output_latch
@always(clock.posedge)
def main_proc():
shift_latch.next = concat(shift_latch[LED_NUM*3-1:0], sin)
@always(latch.posedge)
def latch_proc():
output_latch.next = shift_latch
return instances()

実際のコード

 トランスレート後 verilog コード
`timescale 1ns/10ps
module driver (clock, sin, latch, led);

input clock; input sin; input latch;
output [71:0] led; wire [71:0] led;
reg [71:0] shift_latch; reg [71:0] output_latch;

assign led = output_latch;

always @(posedge latch) begin: DRIVER_LATCH_PROC
output_latch <= shift_latch;
end

always @(posedge clock) begin: DRIVER_MAIN_PROC
shift_latch <= {shift_latch[((24 * 3) - 1)-1:0], sin};
end

endmodule

実際のコード

 シミュレーション記述
from myhdl import *
Import logic1

def test_logic1():
clock = Signal(bool(False))
a = Signal(bool(False))
b = Signal(bool(False))
y = Signal(bool(False))
log1 = logic1.Logic1(clock, a, b, y)
@always(delay(50))
def clock_gen():
clock.next = not clock
@instance
def sequence1():
a.next = 1
b.next = 0
yeild clock.posedge

return instances()

テストの実行

テストを実行する Python コード
tb_fsm = traceSignals(test_logic1)
sim = Simulation(tb_fsm)
sim.run()
これで、ｖｃｄファイルという波形ログが保存される。

テスト結果波形

ｖｃｄファイルは gtkview というツールで見れる。

最後はベンダーツールで

 HDL （ verilog や VHDL ）にトランスレートしたら、
 フィッティング
 ポストフィットシミュレーション
 ビットストリーム生成
 コンフィギュレーションメモリの更新
 という流れは FPGA ベンダツールで

実演

 ドラム型 LED ディスプレイの動画紹介

参考情報

 http://python.matrix.jp/modules/myhdl.html
 http://opencores.org/ HDL のオープンソースサイ
ト
 rpexzeros Python プロセッサを作ろうとしていた。
（無茶しやがって・・・。）
 myhdl-doc-jp ドキュメント翻訳プロジェクト

MyHDL まとめ

 opencores にも MyHDL を使ったプロジェクトがち
らほら
 MyHDL はベンダーロックインすることなくモデルを
みんなで共有できる。
 シビアなスケジュールでの動きを Python の記述で
実現できる。（ナノ秒単位）

まとめ全体

 Python はハード屋の仕事に使えるモジュールがそ
ろっている。
 ハードとソフトの融合から新しい世界が開ける。
 ソフト屋のみなさんハードにチャレンジしよう！

おまけ

ハードの事始めには是非
弊社グループ企業運営の
はんだづけカフェ
にお越しください。

おしまい

ご静聴ありがとうございました

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