ARM Mbed OS#

เนื้อหาในส่วนนี้เกี่ยวข้องกับการใช้งาน ARM Mbed OS ซึ่งเป็นระบบปฏิบัติการเวลาจริง (RTOS) เหมาะสำหรับงานด้าน IoT และเป็นซอฟต์แวร์ประเภท Open Source ที่ได้มีการพัฒนามาเพื่อใช้งานกับไมโครคอนโทรลเลอร์ของบริษัทต่าง ๆ ที่มีตัวประมวลผลตระกูล ARM Cortex-M Series

Keywords: ARM Cortex-M Series, Mbed OS, RTOS, Multi-Threading

---

▷ โครงการ ARM Mbed และความเป็นมา#

ARM Mbed เป็นโครงการที่มีจุดเริ่มต้นในราวปี ค.ศ. 2005 ซึ่งเกิดจากการสนทนาในช่วงพักดื่มน้ำชา ระหว่างนักพัฒนาสองท่านคือ Simon Ford และ Chris Styles และเป็นพนักงานของบริษัท Arm Ltd. (UK) ในช่วงเวลานั้น ทั้งคนได้ร่วมกันทำกิจกรรมเพื่อช่วยให้นักเรียนในชมรมอิเล็กทรอนิกส์ของโรงเรียน หรือให้คำปรึกษาสำหรับโครงงานของนักศึกษาได้หันมาสนใจการเรียนรู้และใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์

แต่จากปัญหาและอุปสรรคในการทำงานที่ทั้งสองได้รับรู้มา ก็นำไปสู่แนวคิดที่จะออกแบบฮาร์ดแวร์ เช่น บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ และซอฟต์แวร์ที่นำมาใช้งานได้ง่ายขึ้นสำหรับผู้ใช้ทั่วไป และสามารถใช้งานผ่านหน้าเว็บเบราว์เซอร์ได้

จากแนวความคิดดังกล่าว ทางบริษัท Arm Ltd. ได้มีการสนับสนุน จนในปี ค.ศ. 2009 จึงได้เปิดตัวโครงการที่มีชื่อว่า mbed (คงหมายถึงคำว่า "embedded") ให้กลุ่มผู้ใช้แบบออนไลน์ (Online Community) และมีซอฟต์แวร์ประเภท Cloud-based Integrated Development Environment (IDE) แบบออนไลน์ ให้ใช้งานได้ฟรี

—— อ้างอิงจากบทความ "Founders interview: An interview with the mbed originators" ("pdf")  

---

▷ ARM Mbed Compiler#

ซอฟต์แวร์หลักคือ Mbed Compiler (https://ide.mbed.com/compiler) ผู้ใช้สามารถสมัครและสร้างบัญชีผู้ใช้ได้ฟรี และเข้าใช้งานโดยใช้เว็บเบราว์เซอร์ ซอฟต์แวร์นี้ประกอบไปด้วย

• Arm C/C++ Compiler ใช้คอมไพเลอร์ ARMCC เหมือนกับ Keil MDK-ARM (Microcontroller Development Kit for ARM) ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ประเภท Commercial
• Code Editor สำหรับการเขียนโค้ด
• Mbed OS ซึ่งเป็นระบบปฏิบัติการเวลาจริง และ
• Libraries / Drivers เป็นต้น

รูป: ARM Mbed Software - IDE & Toolchains (Source: Arm Mbed)

รูป: ตัวเลือกซอฟต์แวร์ประเภท IDEs ของบริษัท Arm Ltd. / Keil

รูป: ตัวเลือกซอฟต์แวร์นอกเหนือจาก IDEs เช่น Compilers / Toolchains และประเภทอื่น

 

---

▷ Mbed OS ตัวเลือกสำหรับการใช้งาน RTOS#

ในการพัฒนาแอพพลิเคชันสำหรับระบบสมองกลฝังตัว ในหลายกรณีการใช้งานระบบปฏิบัติการประเภท RTOS ก็อาจมีความจำเป็น ดังนั้นทาง ARM Mbed จึงได้พัฒนา Mbed OS ซึ่งเป็น Open Source RTOS เพื่อวัตถุประสงค์ดังกล่าว และมีการแชร์โค้ดที่เกี่ยวข้องไว้ใน Github Repo

รูป: Mbed OS repository on Github

 

Mbed OS ได้มีการพัฒนามาหลายเวอร์ชัน (Releases) โดยสามารถจำแนกได้ดังนี้

• Mbed OS 2 ("Classic"): release date: February 28, 2013
• Mbed OS 3 ("Eventing OS"): release date: October 15, 2015
• Mbed OS 5 ("Mbed 2 + Mbed 3"): release date: August 5, 2016
• Mbed OS 6: release date: June 4, 2020

Mbed OS 5 เป็นจุดเริ่มต้นของการนำ Mbed OS 2 กับ Mbed OS 3 มารวมกัน และได้มีการเปลี่ยนมาใช้ Real-Time Kernel ที่มีชื่อว่า RTX (v4.79.0) ซึ่งเป็นของบริษัท Keil และนำมาเผยแพร่ให้เป็น Open Source (Apache License)

 

รูป: การนำ Mbed OS เวอร์ชัน 2 และ 3 มารวมกันเป็นเวอร์ชัน 5

 

Mbed OS จากเวอร์ชัน 5 ไปสู่เวอร์ชัน 6 ใช้เวลาในการพัฒนาประมาณ 4 ปี และมีการปรับปรุงเพื่อรองรับการใช้งานด้าน IoT และใช้งานร่วมกับบริการ IoT Cloud Services (Cloud services support) ยกตัวอย่างเช่น

• Amazon Web Services (AWS)
• Microsoft Azure
• Google IoT Cloud

และรองรับรูปแบบการสื่อสารเชื่อมต่อด้วยโพรโทคอลแบบต่าง ๆ เช่น

• Ethernet
• Wi-Fi
• Bluetooth LE
• NFC / RFID
• Cellular
• 6LoWPAN Sub-GHz Mesh
• LoRa LPWAN

ในปัจจุบัน (ขณะที่จัดทำเอกสารนี้) เวอร์ชันล่าสุดคือ Mbed OS 6.15.0 (อ้างอิงจาก: https://os.mbed.com/mbed-os/releases)

รูปแบบการใช้งาน Mbed OS แบ่งเป็น 2 ลักษณะ (เรียกว่า Profiles) ดังนี้

• Mbed OS Full Profile: เป็น Default Profile เหมาะสำหรับงานที่ต้องการใช้ RTOS (ใช้ Keil RTX ตามรูปแบบของ CMSIS RTOS)
• Mbed OS Bare-Metal Profile (อ้างอิง): เหมาะสำหรับงานที่ไม่ต้องการใช้ RTOS (ไม่มีการทำงานแบบหลายเธรด มีเพียงเธรดหลักเท่านั้น และไม่ได้ใช้ Keil RTX) ทำให้โค้ดมีขนาดเล็กลงเมื่อคอมไพล์แล้ว (Smaller Memory Footprint) โปรแกรมจะทำงานตามโปรไฟล์นี้ โดยใช้หลักการของ Interrupt / Event-driven Programming และในส่วนของการใช้งานไลบรารีสำหรับภาษา C หรือที่เรียกว่า Standard C library ก็จะใช้แบบ small (แทนที่จะเป็น std) ซึ่งหมายถึง ไลบรารี microlib (สำหรับ ARMCC toolchain) หรือ newlib-nano (GCC ARM toolchain) ซึ่งมีขนาดเล็ก (และฟังก์ชันก็ไม่จำเป็นต้องเป็น thread-safe)

 

การเลือกโปรไฟล์แบบ Bare-Metal ของ Mbed OS เพื่อใช้งาน ก็ทำได้โดยการเขียนระบุไว้ในไฟล์ mbed_app.json ของโปรเจกต์ พร้อมกับการเลือกใช้ Small-footprint C Library ตามตัวอย่างดังนี้

{
  "requires": ["bare-metal"],
  "target_overrides": {
    "*": {
       "target.c_lib": "small"
    }
  }
}

นอกจากนั้นแล้วในไฟล์ CMakeLists.txt ภายใต้ไดเรกทอรีของโปรเจกต์ จะต้องมีการแก้ไขชื่อของไลบรารีสำหรับ Mbed ที่จะใช้งาน ในบรรทัดดังนี้ (เปลี่ยนจาก mbed-os ไปเป็น mbed-baremetal)

target_link_libraries(${APP_TARGET} mbed-baremetal)

 

---

▷ การจัดกลุ่มของ Mbed API#

การจัดกลุ่มของ ARM Mbed APIs แบ่งเป็น 3 ช่วง ดังนี้

• Experimental — เป็นเวอร์ชันที่มีการทดลองฟังก์ชันการทำงานใหม่ อาจยังมีบักและไม่เสถียร
• Stable — เป็นเวอร์ชันที่ถือว่า มีความเสถียรในการใช้งาน
• Deprecated — ยังใช้ได้แต่จะถูกถอดหรือยกเลิกการใช้ในอนาคต ( An API that will be removed in the next major release. )

และยังมีการแบ่งระดับของ Software Releases (Mbed OS x.y.z) ดังนี้

• Major release เช่น เปลี่ยนจาก v5.0 เป็น v6.0
• Feature release เช่น v6.15.0
• Patch release เช่น v6.15.1 เน้นการแก้ไขข้อผิดพลาด (Bug Fixes) มีการเพิ่มบอร์ดใหม่ (Support for New Target Boards) เป็นต้น

การเปลี่ยนเวอร์ชันจาก Mbed OS 2 เป็น Mbed OS 5 และ Mbed OS 6 ซึ่งถือว่าเป็น Major Releases ตามลำดับ และมีการเปลี่ยนแปลงของ Mbed OS API ค่อนข้างมาก เช่น บางฟังก์ชันก็มีสถานะเป็น deprecated (ไม่แนะนำให้ใช้ และจะมีการตัดออกไปหรือเลิกใช้ในอนาคต)

 

รูป: ตัวอย่างโค้ดของเมธอดของคลาส TickerBase ที่มีการระบุว่าเป็น MBED_DEPRECATED_SINCE สำหรับ Mbed 6.6 เป็นต้นไป

 

---

▷ ซอฟต์แวร์ที่เป็นองค์ประกอบของ Mbed OS#

โครงสร้างเชิงสถาปัตยกรรมของซอฟต์แวร์สำหรับ Mbed OS มีการแบ่ง APIs ออกเป็นกลุ่มต่าง ๆ ตามลักษณะการใช้งาน เช่น

• OS Core APIs โดยมีพื้นฐานอยู่บนข้อกำหนด CMSIS-RTOS ของบริษัท Arm Ltd. สำหรับการเขียนโปรแกรมโดยใช้ RTOS
• Security APIsเช่น มีการพัฒนาไลบรารีที่มีชื่อว่า MbedTLS สำหรับการเชื่อมต่อแบบปลอดภัยในระบบเครือข่ายโดยใช้ TLS และการเข้ารหัสข้อมูล เป็นต้น
• Connectivity APIs เช่น การสื่อสารโดยใช้รูปแบบของ MQTT หรือ CoAP การสื่อสารโดยใช้ TCP/IP โดยใช้ Ethernet หรือ Wi-Fi และการสื่อสารโดยใช้ Bluetooth (BLE / Bluetooth Mesh) เป็นต้น
• Storage APIs สำหรับการจัดเก็บข้อมูล เช่น ในหน่วยความจำแบบ Flash NAND / NOR หรือการ์ดหน่วยความจำ MicroSD เป็นต้น

 

รูป: Mbed OS 6 Software Components (Source: ARM Mbed)

 

CMSIS-RTOS เป็นการกำหนด APIs ภายใต้กรอบใหญ่คือ ARM CMSIS v5 สำหรับใช้งาน RTOS และในปัจจุบัน มีสองเวอร์ชัน ได้แก่

• CMSIS-RTOS v1 (Version 1.03) ใช้สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ตระกูล ARM Cortex-M Series เท่านั้น และได้เลือก Keil RTX v4 เป็นพื้นฐานในการพัฒนาตาม API ที่กำหนด
• CMSIS-RTOS v2 (CMSIS-RTOS2 Version 2.1.3) ใช้งานได้กับทั้งสถาปัตยกรรม ARM Cortex-M / Cortex-A Series และได้เลือก Keil RTX v5 เป็นพื้นฐานในการพัฒนาตาม API ที่กำหนดไว้

 

การกำหนดรูปแบบของ Mbed OS APIs ทำให้เราสามารถเขียนโค้ดสำหรับนำไปใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่แตกต่างกันได้ ถ้าลองดูใน Official Mbed OS Repository ภายใต้ไดเรกทอรี targets จะเห็นตัวอย่างไดเรกทอรีย่อย จำแนกตามชื่อไมโครคอนโทรลเลอร์ของบริษัทต่าง ๆ ที่ใช้งานได้กับ Mbed OS

• TARGET_Ambiq_Micro
• TARGET_Analog_Devices
• TARGET_Cypress
• TARGET_Freescale
• TARGET_GigaDevice
• TARGET_Maxim
• TARGET_NORDIC
• TARGET_NUVOTON
• TARGET_NXP
• TARGET_RENESAS
• TARGET_STM
• TARGET_Silicon_Labs
• TARGET_RASPBERRYPI (Mbed OS for Arduino Core)

ยกตัวอย่างการทำงานในส่วนที่เรียกว่า Mbed Drivers ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้งานวงจรภายในของชิป (On-chip Peripherals) หรือจะมองว่าเป็น Hardware Abstraction Layer อีกระดับหนึ่งที่สูงขึ้นไป (เหมือนกรณีที่มีการพัฒนา Arduino Core APIs เพื่อใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้หลายตระกูล)

• ถ้าเลือกใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น STM32F4 Series ของบริษัท STMicroelectronics โค้ดในระดับล่างของ Mbed OS อาศัยการทำงานของซอฟต์แวร์ที่เรียกว่า STM32F4 HAL APIs ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ STM32Cube_F4 MCU Firmware Package
• ถ้าเลือกเลือกใช้ชิป nRF52 Series ของบริษัท Nordic Semiconductor โค้ดของ Mbed OS จะทำงานโดยอาศัยซอฟต์แวร์ Nordic nRF5-SDK
• ถ้าเลือกใช้ชิป Raspberry Pi RP2040 ก็จะต้องใช้ซอฟต์แวร์ Raspberry Pi C/C++ SDK เป็นพื้นฐานในการทำงานระดับล่าง

รูป: STM32 MCU Package Architecture (Source: STMicroelectronics)

รูป: Nordic SDK Architecture (Source: Nordic Semiconductor)

 

ลองมาพิจารณาดูตัวอย่าง Arduino Cores เพื่อนำไปใช้งานกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ดังนี้

• Arduino Nano 33 BLE (nRF52840 SoC)
• Arduino Portenta H7 (STM32H747 SoC)
• Arduino Nano RP2040 Connect (RP2040 SoC)

ในทั้งสามกรณีนี้ มีการใช้งาน Arduino Core APIs อยู่ชั้นบนสุด ถัดลงมาเป็น Mbed OS APIs และชั้นต่ำลงมาอีกชั้นจึงเป็นการใช้งาน nRF52 SDK, STM32CubeH7 / STM32H7 HAL และ RP2040 SDK แยกในแต่ละกรณี (เป็น Target-specific Implementation)

 

---

▷ ตัวอย่างคลาสสำหรับไดร์เวอร์ของ Mbed API#

การเขียนโค้ดภาษา C/C++ โดยใช้ ARM Mbed APIs จะเกี่ยวข้องกับการใช้งานคลาส C++ ในส่วนที่เรียกว่า Mbed Drivers สำหรับวงจรพื้นฐานของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มักมีให้ใช้งานได้ทั่วไป เช่น

• DigitalIn | DigitalOut | DigitalInOut สำหรับการใช้งานขา GPIO (General-Purpose I/O) ในโหมดดิจิทัล-อินพุตหรือเอาต์พุต
• InterruptIn สำหรับการใช้งานขาอินพุตในโหมดอินเทอร์รัพท์
• PortIn | PortOut | PortInOut สำหรับการใช้งานขาของ I/O Port เดียวกัน แต่เลือกได้ว่าจะใช้ขาใดบ้าง
• BusIn | BusOut | BusInOut สำหรับการใช้งานขา GPIO แบบดิจิทัลหลายขาพร้อมกัน
• AnalogIn | AnalogOut สำหรับการใช้งานขาแบบแอนะล็อกสำหรับ ADC (Analog-to-Digital Converter) และ DAC (Digital-to-Analog Converter)
• PwmOut สำหรับการใช้งานขา GPIO เป็นเอาต์พุตเพื่อสร้างสัญญาณประเภท PWM (Pulse Width Modulation)
• I2C | I2CSlave สำหรับการใช้งานบัส I2C โหมด I2C Master หรือ I2C Slave
• SPI | SPISlave สำหรับการใช้งานบัส SPI โหมด SPI Master หรือ SPI Slave
• Serial สำหรับการใช้งาน Serial (UART) แบ่งเป็น 2 กรณี คือ BufferedSerial และ UnbufferedSerial สำหรับการใช้งานบัส USB รูปแบบต่าง ๆ ในกรณีที่ไมโครคอนโทรลเลอร์รองรับการใช้งาน Native USB เช่น
• USB สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่รองรับการใช้งาน Native USB และมีรูปแบบการใช้งาน เช่น USB CDC, USB Mass Storage, USB HID เป็นต้น
• CAN สำหรับการใช้งานบัส CAN (Controller Area Network)

 

---

▷ บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับ Mbed ยุคแรก#

Mbed-enabled Platforms หมายถึง บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ซีพียูตระกูล ARM Cortex-M จากหลายบริษัท และสามารถนำมาใช้ได้กับ Mbed OS (แต่ต้องพิจารณาดูเวอร์ชันที่ใช้ได้ด้วย) รายการของบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถดูได้จากเว็บ https://os.mbed.com/platforms/

ในช่วงแรกได้มีการพัฒนาบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ออกมา เพื่อสาธิตการทำงานของ Mbed OS แต่มีให้เลือกใช้เพียงไม่กี่บอร์ด เช่น

• ARM mbed NXP LPC1768 (Arm Cortex-M3) Board
• ARM mbed NXP LPC11U24 (Arm Cortex-M0) Board

 

รูป: บอร์ด mbed NXP LPC1768 และ Pin Out Diagram

รูป: บอร์ด mbed NXP LPC11U24 และ Pin Out Diagram

 

หนังสือเล่มแรกที่แนะนำการใช้งานบอร์ด Mbed LPC1768 คือ "Fast and Effective Embedded Systems Design" ผู้แต่งคือ Rob Toulson & Tim Wilmshurst และได้มีการตีพิมพ์ครั้งแรกในปี ค.ศ. 2012 และครั้งที่สองในปี ค.ศ. 2017 ตามลำดับ

 

รูป: หน้าปกหนังสือ Fast and Effective Embedded Systems Design (2ed)

ตัวอย่างของหนังสืออีกเล่มหนึ่งที่กล่าวถึงการใช้งาน Mbed OS สำหรับบอร์ด NXP LPC1768 และ Freescale FRDM-K64F คือ "Designing Embedded Systems and the Internet of Things (IoT) with the ARM mbed" ผู้แต่งคือ Perry Xiao ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 2018

คำแนะนำ: ในการเลือกหนังสือเพื่อนำมาศึกษา เนื่องจากว่า Mbed OS มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง หนังสือบางเล่มที่ได้มีการตีพิมพ์มาหลายปีแล้ว อาจมีเนื้อหา เช่น ตัวอย่างโค้ด หรือการใช้ Mbed OS API เป็นเวอร์ชันเก่า

หนังสือ Fast and Effective Embedded Systems Design: From bits and bytes to IoT, with the Arm Mbed (3rd Edition, 2024) ผู้แต่ง Tim Wilmshurst, Rob Toulson, Tom Spink ได้มีการอัปเดตเนื้อหาและตัวอย่างโค้ดใช้ได้ API ล่าสุดของ Arm Mbed OS และใช้กับบอร์ดตัวอย่างได้ได้แก่ LPC1768 และ Nucleo F401RE

 

---

▷ รายการบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับ Mbed#

ถ้าดูจากรายการ Mbed Platforms จะเห็นว่า ในปัจจุบันมีจำนวนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้งานได้กับ Mbed OS มากขึ้น โดยส่วนใหญ่แล้วก็เป็นของบริษัท STMicroelectronics เช่น บอร์ดในกลุ่ม STM32 Nucleo เป็นต้น และบอร์ดของบริษัท NXP/Freescale ซึ่งทั้งสองบริษัทเป็น Mbed Official Partners มาตั้งแต่ช่วงเริ่มเปิดตัวโครงการ

 

รูป: ตัวอย่างบอร์ดของ STM

รูป: ตัวอย่างบอร์ดของ NXP/Freescale

 

Community supported boards: นอกจากบอร์ดในกลุ่มที่เรียกว่า "Official Mbed-enabled" แล้ว ARM Mbed ก็เปิดโอกาสให้นักพัฒนาสามารถเพิ่ม Custom Boards อื่นมาใช้ได้ด้วย เช่น

• BluePill STM32F103 (ARM Cortex-M3) สามารถทำงานได้กับ Mbed OS 6.2
• TI MSP432 (ARM Cortex-M4F) สามารถทำงานได้กับ Mbed OS 6.1 ~ 6.11

 

---

▷ ซอฟต์แวร์สำหรับ Mbed#

ข้อดีของการใช้ Online IDE & Toolchain คือ ผู้ใช้ไม่ต้องติดตั้งโปรแกรมใด ๆ ในเครื่องคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ เข้าใช้งานได้โดยเปิดเว็บเบราว์เซอร์ แต่ก็จะต้องเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตเพื่อใช้งาน และถ้าจะนำไฟล์ที่ได้จากการคอมไพล์ไปใช้กับบอร์ด จะต้องดาวน์โหลดไฟล์ไบนารี .bin มายังคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ แล้วนำไปอัปโหลดไปยังบอร์ดทดลอง ซึ่งถือว่า ไม่สะดวกในการใช้งาน

 

รูป: ตัวอย่างการใช้งาน Mbed online IDE (ยกเลิกการให้บริการแล้ว)

รูป: การเลือกหรือเปลี่ยนบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์เมื่อใช้งาน Mbed Online IDE (ยกเลิกการให้บริการแล้ว)

ข้อสังเกต: Mbed Online Compiler ได้ถูกยกเลิกการให้บริการเมื่อสิ้นปีค.ศ. 2022 และผู้ให้บริการได้แนะนำให้เปลี่ยนไปใช้ Keil Studio Cloud ซึ่งเป็นเวอร์ชัน Online ของ Mbed Studio Desktop IDE

 

นอกจากการใช้งานซอฟต์แวร์แบบออนไลน์แล้ว ก็มีตัวเลือกสำหรับใช้งานแบบ Desktop (Offline) ดังนี้

• Mbed CLI v1 เป็น Python-based Command Line Tools เวอร์ชันแรก ใช้ชื่อคำสั่ง mbed-cli สำหรับจัดการโปรเจกต์และคอมไพล์โค้ดที่ใช้ Mbed OS 2 และ Mbed OS 5.x ไปจนถึง Mbed OS 6.4
• Mbed CLI v2 เป็น Python3-based Command Line Tools เวอร์ชันสอง และใช้ชื่อคำสั่ง mbed-tools และได้มีการเปลี่ยนมาใช้ CMake และ Ninja Build System สำหรับจัดการโปรเจกต์และคอมไพล์โค้ดที่ใช้ Mbed OS 6.5 หรือสูงกว่า
  • อ่านบทความ: แนะนำการใช้งาน ARM Mbed CLI 2 สำหรับระบบปฏิบัติการ Linux หรือ Windows และทดลองกับบอร์ด STM32 NUCLEO ในเบื้องต้น
• ARM Mbed Studio เป็นซอฟต์แวร์ Desktop App ประเภท IDE สำหรับระบบปฏิบัติการ Windows / Linux / Mac OS (64 บิต) และใช้ Eclipse THEIA IDE และ Monaco Editor เป็นพื้นฐานในการพัฒนา ในส่วนของคอมไพล์เลอร์จะใช้ Arm C/C++ Compiler 6 (AC6) ของบริษัท Arm Ltd.

 

รูป: Mbed Studio IDE และการดาวน์โหลดไฟล์เพื่อติดตั้งใช้งาน

รูป: ตัวอย่างการใช้งาน Mbed Studio IDE

 

โปรเจกต์ที่ผู้ใช้ได้สร้างขึ้นเมื่อใช้งาน Mbed Online Compiler แบบออนไลน์ ก็สามารถนำออกมา (Export) มาใช้กับ IDE แบบ Offline ได้ มีหลายตัวเลือก เช่น

• Keil µVision IDE
• Eclipse IDE / CDT Plugin + GNU Arm Embedded Toolchain
• Visual Studio Code + GNU Arm Embedded Toolchain
• SW4STM32 System Workbench for STM32
• ...

 

รูป: ตัวเลือกสำหรับการนำออกโปรเจกต์ใน Mbed Online IDE (ยกเลิกการให้บริการแล้ว)

 

---

▷ ซอฟต์แวร์จำลองการทำงาน Mbed#

Jan Jongboom ซึ่งเป็นหนึ่งในทีมงาน Mbed Labs ในขณะนั้น ได้พัฒนา Mbed OS Simulator ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ประเภท Open Source และได้แชร์โค้ดไว้ใน Github (https://github.com/janjongboom/mbed-simulator)

โปรแกรมนี้ใช้ภาษา JavaScript / Nodejs ในการทำงาน และใช้ Emscripten ซึ่งเป็นคอมไพล์เลอร์ที่ทำหน้าที่แปลงโค้ดภาษา C/C++ ให้เป็น JavaScript หรือ WebAssembly ได้ ดังนั้นโค้ดที่ใช้ Mbed OS 5 จึงสามารถนำไปรันบนหน้าเว็บเบราว์เซอร์ได้ แต่ก็มีข้อจำกัด เช่น

• เลือกโค้ดจากตัวอย่าง (Demos) มาลองรันได้เท่านั้น แก้ไขโค้ดตัวอย่างได้ ผู้ใช้ไม่สามารถสร้างโปรแกรมใหม่ได้
• ไม่รองรับการทำงานแบบ Multi-threading (เป็น single-threaded)
• ใช้คำสั่งของ Mbed OS 5 แต่ไม่รองรับ Mbed OS 6

Mbed Simulator จึงเหมาะสำหรับผู้ที่อยากจะลองเริ่มต้นใช้งาน Mbed OS และยังไม่มีอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์ ในการทดลองเท่านั้น ลองเขียนโค้ดใหม่โดยใช้คำสั่งต่าง ๆ ของ Mbed Driver API เช่น DigitalOut, DigitalIn, InterruptIn, BusOut, PwmOut เป็นต้น

แต่หลังจาก Jan Jongboom ได้ลาออกไปร่วมก่อตั้งบริษัทใหม่ (Edge Impulse) โปรเจกต์นี้ก็ไม่ได้มีการพัฒนาต่อ และปัจจุบันได้ยกเลิกการให้บริการแล้วเมื่อปลายปีค.ศ. 2022 ดังนั้นจึงกล่าวถึง Mbed Simulator ไว้เป็นตัวอย่างเท่านั้น

 

รูป: Web-based Mbed Simulator (ยกเลิกการให้บริการแล้ว)

 

---

▷ หลักการทำงานของเธรดใน Mbed OS#

ถ้าอ้างอิงจากเอกสารออนไลน์ Mbed OS - Scheduling Concepts จะทราบได้ว่า Mbed OS / Full Profile มีการกำหนดสถานะของเธรด (Thread States) ไว้ดังนี้

• Running: เป็นสถานะที่เธรดนั้นกำลังทำงาน และจะมีเพียงเธรดเดียวเท่านั้นในระบบที่ทำงานในช่วงเวลาหนึ่ง
• Ready: เป็นสถานะของเธรดที่พร้อมจะทำงาน และยังไม่ได้ทำงาน
• Waiting: เป็นสถานะที่เธรดกำลังรอเหตุการณ์บางอย่าง และไม่ทำงาน
• Inactive: เป็นสถานะของเธรดที่ยังไม่ถูกสร้างขึ้นมา หรือได้จบการทำงานไปแล้ว

เมื่อเธรดที่กำลังทำงานอยู่ได้จบการทำงานลง (Terminated) หรือได้เปลี่ยนไปเป็นสถานะรอ (Waiting) ก็จะทำให้เธรดที่พร้อมจะทำงานและมีระดับความสำคัญสูงสุดในกลุ่มที่พร้อมจะทำได้ ได้ถูกเลือกให้ทำงานเป็นลำดับถัดไป

หรือในอีกกรณีหนึ่ง ถ้าเธรดที่กำลังรออยู่ เช่น รอ Semaphore หรือ Mutex หรือ EventFlag ได้เปลี่ยนสถานะเป็นพร้อมที่จะทำงานเมื่อเกิดเหตุการณ์หรือเงื่อนไขบางอย่างเป็นจริง จะทำให้การรอจบลง และถ้าเธรดดังกล่าวมีความสำคัญสูงกว่าเธรดที่อยู่ในสถานะทำงานขณะนั้น ก็จะเกิดการเปลี่ยนบริบทของเธรดในการทำงาน เพื่อให้เธรดที่พร้อมและมีความสำคัญสูงกว่าได้ทำงานทันที กรณีนี้เรียกว่า Premption

รูปภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นสถานะของเธรดและเงื่อนไขในการเปลี่ยนแปลงสถานะของเธรด (State Transitions)

รูป: สถานะของเธรดในระบบ RTOS ของ Mbed OS (Source: ARM Mbed)

 

ดังนั้นหากต้องการจะศึกษาวิธีการเขียนโค้ดโดยใช้ Mbed OS ก็ควรจะทำความเข้าใจหลักการทำงานของ RTOS โดยทั่วไป เช่น การทำงานของเธรด การสร้างเธรดใหม่ สถานะของเธรด การรอเหตุการณ์และการสื่อสารกันระหว่างเธรด (Inter-Thread Synchronization & Communication) และสิ่งที่ RTOS มีให้ใช้สำหรับการสื่อสารหรือรอจังหวะกันระหว่างเธรดในรูปแบบต่าง ๆ (เช่น Thread Flags / Event Flags / Semaphores / Mutexes / Memory Pools เป็นต้น)

 

---

▷ Arduino Pro กับ Mbed OS#

บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ในกลุ่ม Arduino Pro Hardware ที่ใช้ชิปต่อไปนี้ สามารถเขียนโปรแกรมได้ด้วย Arduino Core - Mbed

• STM32H747XI เช่น Portenta H7 / H7 Lite, Portenta Machine Control และ Arduino GIGA R1 WiFi
• Nordic nRF52840เช่น บอร์ด Arduino Nano 33 BLE และ Arduino Nano 33 BLE Sense
• Raspberry Pi RP2040 เช่น บอร์ด Arduino Nano RP2040 Connect

เวอร์ชันล่าสุดของ Arduino Core - Mbed (ในขณะที่เขียนเอกสารนี้) คือ 4.0.2 ผู้ใช้ Arduino Core - Mbed สามารถเขียนโค้ดด้วยคำสั่งต่าง ๆ ของ Arduino API ซึ่งจะทำงานโดยอาศัย Arm Mbed OS (v6.17.0) เป็นพื้นฐาน ดังนั้นจึงเห็นได้ว่า Arduino Core สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ในกลุ่มนี้ จึงมีความเชื่อมโยงกับ Arm Mbed OS

 

---

▷ การหยุดพัฒนา Mbed OS โดยบริษัท Arm#

โครงการ Arm Mbed OS ได้เริ่มต้นอย่างเป็นทางการในปีค.ศ. 2009 และก็ถือว่าเป็น RTOS ที่ได้รับความนิยมในอันดับต้น ๆ สำหรับการนำไปใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิปสถาปัตยกรรม Arm Cortex-M เวอร์ชันล่าสุดของ Mbed OS (ในขณะที่อัปเดตบทความ) คือ mbed-os-6.17.0 (Feb 28, 2023)

แต่ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2024 บริษัท Arm ได้ออกประกาศ โดยระบุไว้ในบทความ "Important Update on Mbed" (pdf) จะหยุดการพัฒนาและดูแล Mbed OS โดยสิ้นเชิง เปลี่ยนสถานะเป็น EOL หรือ End-of-Life ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 2026 หรือภายในอีก 2 ปีจากประกาศ และในระหว่างนี้ ก็คงไม่มี Major Update ใดๆ ออกมา

ทางผู้พัฒนาของบริษัท Arm ได้แนะนำ RTOS เป็นตัวเลือกแทน Mbed OS ดังนี้

• Arm CMSIS RTX5 (open source) + Arm Keil MDK v6 Community Edition
• FreeRTOS (open source)
• Zephyr (open source)

Mbed CE (Community Edition) เป็นโครงการที่ได้นำโค้ดของ Arm Mbed OS ใน GitHub repo มาพัฒนาต่อ (fork) ดังนั้นผู้ที่สนใจจะใช้ Mbed OS ต่อไปในอนาคต ก็อาจลองเปลี่ยนมาใช้ Mbed CE แทนก็เป็นอีกหนึ่งทางเลือก

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา บอร์ดของ Arduino ที่ใช้ชิป 32-bit Arm Cortex-M ได้ใช้ Arm Mbed OS เป็นพื้นฐานในการพัฒนา Arduio Cores Mbed เพื่อนำไปใช้กับบอร์ดใช้ชิป Arm Cortex-M Series เช่น Arduino GIGA, Arduino Portenta H7, Arduino NICLA, Arduino Nano 32 BLE, Arduino Nano RP2040 Connect เป็นต้น

จาก Blog ที่มีชื่อว่า "The end of Mbed marks a new beginning for Arduino" ทางทีมผู้พัฒนา Arduino ได้ตระหนักถึงการหยุดพัฒนา Arm Mbed OS และได้ตัดสินใจเปลี่ยนมาใช้ Zephyr RTOS ในอนาคต

 

---

▷ กล่าวสรุป#

Mbed เป็นอีกตัวเลือกหนึ่งสำหรับผู้ที่สนใจจะใช้ระบบปฏิบัติการเวลาจริง และซอฟต์แวร์อื่นที่เกี่ยวข้อง เพื่อนำมาใช้ในการพัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์แบบมืออาชีพ จุดเด่นคือ เป็นซอฟต์แวร์ประเภท Open Source สามารถนำมาใช้งานกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ได้หลายแบบ แต่มีข้อจำกัดว่าต้องเป็นตัวประมวลผลที่ใช้สถาปัตยกรรมของ Arm เท่านั้น (เช่น Arm Cortex-M / Cortex-A Series)

ในเรื่องของการพัฒนาซอฟต์แวร์ ก็มีบริษัท Arm Ltd. เป็นผู้สนับสนุน ร่วมกับบริษัท Partners เช่น NXP / ST เป็นต้น ทำให้มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีซอฟต์แวร์ให้เลือกใช้งานทั้งแบบออนไลน์ในระบบคลาวด์ (เช่น Mbed Online Compiler และ Keil Studio Cloud IDE) และแบบติดตั้งในเครื่องคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้ (Mbed CLI / Mbed Studio) หรือจะใช้ซอฟต์แวร์อื่นอย่างเช่น VS Code + PlatformIO หรือ Eclipse IDE + CDT หรือเขียนโค้ดด้วย Arduino IDE (บางกรณี) ก็ได้เช่นกัน

 

---

▷ แหล่งข้อมูลสำหรับศึกษาเพิ่มเติม#

รายการบทความแนะนำและเกี่ยวข้องกับ Mbed OS

• แนะนำการใช้งาน ARM Mbed CLI 2
• แนะนำการใช้งาน Mbed Online Compiler (obsolete)
• แนะนำการใช้งาน Mbed Studio Desktop IDE
• แนะนำการใช้งาน Keil Studio Cloud
• แนะนำการใช้งาน Mbed OS สำหรับบอร์ด Black Pill (STM32F411CEU6)

 

---

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2021-11-23 | Last Updated: 2024-07-29