SPIKE-RTの紹介
TOPPERS Advent Calendar 2022 24日目の記事です．
はじめに
こんにちは，名古屋大学情報学部コンピュータ科学科 3年生の朱義文（@envzhu）です．
SPIKE-RT は，LEGO® Education SPIKE™ Prime 向けソフトウェアプラットフォームです．
2021年から開発を続け，リリースまでの見込みが立ったので，記事として現状を紹介します．
内容はすべて記事公開日（2022年12月24日）における情報に基づきます．
LEGO® Education SPIKE™ Prime とは
LEGO® Education SPIKE™ Prime（以下「SPIKE Prime」）は，「小学校高学年から中高生向けの STEAM 学習セット」（公式製品ページより引用）です．
Prime Hub というプログラミング可能なデバイスとPUP（Powered Up）デバイスと呼ばれるセンサやモータなどの外部デバイスを組み合わせることで制御アプリケーションを開発することが可能です．
SPIKE-RT の概要
GitHub レポジトリ：spike-rt/spike-rt: An RTOS-based software platform for LEGO® Education SPIKE™. (WIP!)
公式のソフトウェプラットフォーム LEGO Education SPIKE App は，MicroPython がベースであり，アプリケーションのプログラミング言語は MicroPython と Scratch に対応しています．
一方，SPIKE-RT は，TOPPERS/ASP3カーネルをベースとしており，
- C 言語によるプログラミング
- RTOS によるリアルタイムプログラミング
のための環境をアプリケーション開発者に提供します．
実装状況
SPIKE-RTが提供している API （SPIKE API）のデバイスの対応表を示します．
SPIKE API を用いて，デバイスを制御する C言語アプリケーションを開発することが可能です．
表の通り，多くのデバイスに対応しており，アプリケーションを開発しやすくするための機能を検討・実装する段階に入っています．
| デバイス | API 対応 |
|---|---|
| ハブ本体機能 | |
| マトリックス LED | O |
| ステータス LED | O |
| ボタン | O |
| IMU | X |
| スピーカ | X |
| 外部フラッシュメモリ | X |
| バッテリ充電器 | O |
| USB シリアル | X |
| Bluetooth シリアル | O |
| PUP デバイス | |
| サーボモータ | O |
| カラーセンサ | O |
| 超音波センサ | O |
| フォースセンサ | O |
内部構造
SPIKE-RTの内部構造の説明
簡単に内部構造を説明します．
ソフトウェアの一番下で，TOPPERS/ASP3 カーネルを動作させています．
その上で，デバイス制御を行う Pybricks タスクと，ユーザが開発するアプリケーション・タスクが動作します．
前述の表のとおり，SPIKE Prime では多様なデバイスを制御できることが求められます．
しかし，このような多様なデバイスの制御を実現するデバイスドライバを0から実装することは非常に大変です．
そこで SPIKE-RT では，既存の SPIKE Prime 向けソフトウェアプラットフォームである Pybricks デバイスドライバ部分を少ない修正で動かす（Pybricks タスク）ことで，デバイス制御を低実装コストで実現しています．ASP3カーネル上への移植は，Pybricksのデバイスドライバのカーネルである Contikiを移植することで実現しています．
学術論文・受賞など
以下のコンテスト受賞と論文発表があります．
- TOPPERS 活用アイデア・アプリケーション開発コンテスト 2022 アプリケーション開発部門 銀賞
- 朱義文，李奕驍，松原豊，本田晋也：SPIKE-RT: LEGO SPIKE Prime向けリアルタイムソフトウェアプラットフォーム，情報処理学会研究会研究報告， Vol.2022-EMB-61 No.11, pp.1–6 (2022)，http://id.nii.ac.jp/1001/00222073/ ．
SPIKE-RT の使用を検討している方へ
ドキュメント
関連するドキュメントを以下に示します．
- 日本語 README : spike-rt/README_ja.md
- 開発方法等の説明 : spike-rt/docs/ja/
- TOPPERS/ASP3 カーネルの API の使い方 :TOPPERS第3世代カーネル（ITRON系）統合仕様書
- SPIKE API（アプリケーションからデバイスを制御するための API）: Doxygen ドキュメント
- 過去のイベントの発表資料 : spike-rt/materials
とりあえず動かして見る
まず，spike-rt/docs/Env.md を参考に開発環境の構築をしてください．
主にアプリケーション・コンテナの使用を想定しています．
spike-rt/docs/Test.md にテストアプリケーションのビルド方法と動作確認方法が書かれています．現状，テストログを確認するには，ポート F に UART 接続する必要があります．
Slack コミュニティ
中心的にコミットしているのが学生1人ということもあり，まだまだドキュメントの整備が不十分であったり，使いづらい部分があったりするかもしれません．
Slack （日本語のみ）に，質問・提案して頂けると大変助かります．
また．こちらを主として新機能や変更の周知を行いますので，ぜひ，ご参加下さい．
今後の展開
まずは，来年初めあたりを目標として，, IMU（Inertial Measurement Unit）への対応とサンプルアプリケーションを整備したところで，最初のリリースを行おうと思っています．
その後，C言語以外のプログラミング言語に対応することを考えています．
SPIKE Prime が小中高生の教育目的で使われているということで，将来的には教育現場での使用も視野に入れて，開発していきます．
以上
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