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<!DOCTYPE html> <html data-auth="" data-permalink="1" itemscope itemtype="http://schema.org/BlogPosting" lang=ja> <head> <meta charset=utf-8> <title>Machinekit (Linux CNC) のアーキテクチャと、BeagleBone Black での動作 | tech - 氾濫原</title> <meta content="width=device-width,initial-scale=1,maximum-scale=2,user-scalable=yes" name=viewport> <meta content=#000000 name=theme-color> <link href=/feed rel=alternate title=Feed type=application/atom+xml> <link href="https://lowreal.net/2016/09/12/1" rel=canonical> <meta content=unsafe-url name=referrer> <meta content="Machinekit (Linux CNC) のアーキテクチャと、BeagleBone Black での動作 | tech - 氾濫原" property=og:title> <meta content="article" property=og:type> <meta content="https://lowreal.net/2016/09/12/1" property=og:url> <meta content=cho45@lowreal.net property=og:email> <meta content=cho45 property=fb:admins> <link href="/css/style.css" rel=stylesheet> <link href="/css/github.css" rel=stylesheet> <link 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class=entries> <div class=date><a href="/2016/09/12/">2016年 09月 12日</a></div> <article class="tech status-public" data-id="20859" id="post-1473652929" > <header> <h2 itemprop=name><a href="/2016/09/12/1" class=bookmark rel=bookmark itemprop=url>Machinekit (Linux CNC) のアーキテクチャと、BeagleBone Black での動作</a></h2> <div class=metadata> <a href="/tech/"><span itemprop=keywords>tech</span></a> | <time datetime="2016-09-12T04:02:09Z" data-epoch="1473652929" itemprop=datePublished> 13:02 </time> | <div style=display:none> <meta content="/2016/09/12/1" itemprop=mainEntityOfPage itemscope itemtype=https://schema.org/WebPage> <span itemprop=headline>背景現在は CNC のコントローラとして Grbl + 自作のインターフェイスを使っています。Grbl の G-code イ…</span> <span itemprop=author itemscope itemtype=https://schema.org/Person> <a href=http://www.lowreal.net/ itemprop=url> <span itemprop=name>cho45</span> </a> </span> <div itemprop=publisher itemscope itemtype=https://schema.org/Organization> <div itemprop=logo itemscope itemtype=https://schema.org/ImageObject> <meta content=https://www.lowreal.net/images/logo.png itemprop=url> <meta content=189 itemprop=width> <meta content=105 itemprop=height> </div> <meta content=cho45 itemprop=name> </div> <meta content="2016-09-12T04:02:09Z" itemprop=datePublished> <meta content="2016-09-14T00:58:05Z" itemprop=dateModified> <div itemprop=image itemscope itemtype=https://schema.org/ImageObject> <meta content=https://www.lowreal.net/images/logo.png itemprop=url> <meta content=189 itemprop=width> <meta content=105 itemprop=height> </div> </div> </div> </header> <div class=content itemprop=articleBody> <section class=level-1> <h3>背景</h3> <p>現在は CNC のコントローラとして Grbl + 自作のインターフェイスを使っています。Grbl の G-code インタプリタは必要な機能はほとんどどありますが、凝ったことをしようと思うと少し困ることがでてきます。<p>ということで、Beagle Bone Black と Machinekit (Linux CNC) での環境構築をぼちぼちはじめています (まだある程度設定しただけで動かせてませんが)。その過程で結局コードを読むハメになってるので覚書を残しておきます。</p> </section> <section class=level-1> <h3>Machinekit とは何か</h3> <p>Machinekit は Linux CNC (EMC2) からの fork プロジェクトです。Linux CNC は x86 しかサポートしていませんが、Machinekit は ARM もサポートしています。細かい違いがいろいろあるみたいですが、実のところよくわかってません。<p>OSSのG-code実行機だと Linux CNC が最も高機能なようなので、これが動く環境がうまく作れれば、機能で困ることはなくなるはずです。</p> </section> <section class=level-1> <h3>Machinekit / Linux CNC はどのようにして GPIO を操作するか</h3> <p>名前の通りなのですが、これらは Linux 上で動きます。Linux CNC の典型的な実行環境は、普通の x86 コンピュータにパラレルポートを付けたマシンです。パラレルポートをGPIOとして使用し、ステッピングモータドライバなどに送る信号を出力します。<p>全てソフトウェアで制御信号を生成するため、Xenomai という Linux カーネルにリアルタイム拡張を行うものを組込み、複数のリアルタイムスレッドを協調して動かすことでスムーズに実行できるようにしてあります。<p>具体的には</p> <ul> <li>base-thread <ul> <li>25μs ごとに起動</li> <li>最小の実行単位を扱うスレッドで、GPIO の実際の操作を行う</li> </ul></li> <li>servo-thread <ul> <li>1ms ごとに起動</li> <li>入力などを処理して base-thread で行う操作を決めるスレッド</li> </ul></li> </ul><p>という2つのスレッドがあります。実行間隔を書きましたが、実際には Xenomai を組み込んだ状態でも各スレッドが起動される間隔にはばらつきがあり、正確に起動されるわけではありません。「リアルタイム」はあくまで最悪の応答時間を保証しているだけです。十分余裕を持って行動するために処理の重さに応じて実行スレッドが分けられているわけです。</p> </section> <section class=level-1> <h3>Machinekit と Beagle Bone Black</h3> <p>Beagle Bone Black は TI の ARM SoC である AM3359AZCZ100 がメインCPUの、Raspberry Pi に似たカードサイズ Linux コンピュータです。GPIO が豊富にあり、これに Machinekit をインストールすることで、単体でCNCコントローラにできます。<p>パラレルポートに依存した環境構築というのは今時ちょっとやる気が起きませんし、パラレルポートが増設可能なフル装備の Linux コンピュータを組み立てようと思うと結構コストがかかります。Beagle Bone だと単体で役目を果たすことができます。<p>Raspberry Pi ではダメなのか？という疑問があるかと思いますが、実は BBB にあって Raspberry Pi にはない重要な機能があります。それが PRU (Programmable Real-time Unit) です。<p>PRU は要するにメインのCPUと独立して動作できるマイコンです。メインCPUは1GHzですが、PRU は 200MHz の独自クロックで、メインCPUとは独立して動作します。<p>PRU の実装自体は独自の命令セットのアセンブリを書いて、TI 提供のツールでコンパイルして実行バイナリを得ます。なので、あまり高度なことをやるのは難しいですが、CNC の制御信号を出すというような用途にはまさにうってつけです。<p></p> <section class=level-2> <h4>フツーのPCと何が変わるか</h4> <p>Machinekit のリアルタイム処理は base-thread と servo-thread に分かれていると書きましたが、BBB の場合は base-thread は存在せず、servo-thread だけがあります。base-thread 相当の処理が PRU で独立して行われます。<p>Machinekit の hal_pru_generic ドライバにおいて PRU が GPIO を操作する間隔はデフォルトでは10μsとなっています。これは普通のPCのデフォルトの2倍以上の速度ですが、内部的には PRU 内でビジーループでえ 10μs を待つように実装されています。GPIO まわりのタスク処理が 10μs すなわち 2000 CPUサイクル以内ならば遅延することがありません。<p>現状では</p> <ul> <li>stepgen <ul> <li>ステッピングモータの駆動パルス生成</li> </ul></li> <li>pwmgen <ul> <li>ソフトウェア PWM</li> </ul></li> <li>encoder <ul> <li>エンコーダーパルスをなんかするやつ(使ったことないです)</li> </ul></li> </ul><p>を PRU 内で実行できます。</p> </section> <section class=level-2> <h4>PRU と PRU Low Latency I/O</h4> <p>AM3359AZCZ100 にはPRU Low Latency I/O というのがあり、複数の特定ピンの GPIO を PRU 内から r30/r31 レジスタへの読みかきによって1サイクルで行えるというものすごいものがあります。<p>一方で、PRU 内からだからといって PRU Low Latency I/O しか使えないというわけでもなく。普通の GPIO もそれよりはレイテンシがありますが読み書き可能です。<p>Machinekit の実装でもいずれのピン設定も利用可能です。前述の通り 10μs ごとの操作になるので、特に Low Latency ピンにこだわる必要はなく、この場合特にメリットもありません。<p>このへんは HAL の設定まわりになるので、ちゃんと動かせてからそのうち書きたいと思います。</p> </section> </section> <ol itemscope itemtype=http://schema.org/BreadcrumbList><li itemprop=itemListElement itemscope itemtype=http://schema.org/ListItem><a href=/ itemprop=item><span itemprop=name>トップ</span></a> <meta content=1 itemprop=position> </li> <li itemprop=itemListElement itemscope itemtype=http://schema.org/ListItem> <a href="/tech/" itemprop=item><span itemprop=name>tech</span></a> <meta content=2 itemprop=position> </li> <li itemprop=itemListElement itemscope itemtype=http://schema.org/ListItem> <a href="https://lowreal.net/2016/09/12/1" itemprop=item><span itemprop=name>Machinekit (Linux CNC) のアーキテクチャと、BeagleBone Black での動作</span></a> <meta content=3 itemprop=position> </li> </ol> </div> <div class="content trackbacks"> <h3>このエントリを参照するエントリ</h3> <ul> <li data-id="20988"> <a href="/2016/12/31/1"> <b>今年やったことを自分で承認する</b><br> <span class=summary>日記を読みかえしてみたら今年もいろいろやっていた。年末にせめて自分で自分を承認してあげたい。おおまかには高周波関係アンテナアナライザ製作…</span> <time datetime="2016-12-30T15:04:32Z" data-epoch="1483110272" itemprop=datePublished> 00:04 </time> </a> </li> </ul> </div> <div class="content similar-entries"> </div> <div class=social> <span class=hatena-star></span> <p class=share-buttons> <a href="https://www.facebook.com/sharer/sharer.php?u=https%3A%2F%2Flowreal.net%2F2016%2F09%2F12%2F1" 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