電磁流体・プラズマのコンピュータシミュレーション
コンピュータの性能の向上と共に様々な分野でコンピュータシミュレーションによる研究が行われるようになってきました。本研究室では電磁流体プラズマの性質をコンピュータによる数値計算により解析しています。電磁流体は温度や密度、それを構成している原子・分子によって振る舞いが大きく変わり、それを再現或いは模擬するモデルを開発し、作成したモデルを用いて解析を進めています。核融合研究やプラズマを利用したモノづくりへの応用を目指しています。
マイコンを組み込んだ機器を作成する際に、OSを用いるか用いないかは大きな問題である。ここでOSを用いる動機として、ハードウエアリソースの管理や通信、プロセス管理などがある。そこで、これらの機能を限定的にハードウエアで実装することによりシンプルで効率的な組み込みシステムの実現が可能であると考える。この考えを基に、これまでFPGA上に小さなマイコンを複数実装して、プロセス管理をハードウエアで実現するシステムを提案してきた。しかしソフトウエア開発環境が無いため実用的ではない。そこで、mrubyと呼ばれる組み込みマイコン向けの小型VM（Virtual Machine）をハードウエア化することにより、これらの解決ができると考えて研究を行っている。
目的： 組み込みシステムに適した軽量で安定したマイコンシステムを実現する
なぜ組み込みシステムが大きくなるか？
- ネットワークへの接続（サーバとの通信）
- ファイルシステム要求
- メモリリソース管理の要求
- プロセス管理 （リアルタイム処理）
等の機能を実現したい
→ OSを採用する構成例：図１(a)
OS (Operation System)は便利だが用いると、
- 移植やアップデートのメンテナンス
- 大容量のメモリや高速なプロセッサ
といった手間やコストがかかる
これを無くすために、FPGAを利用する
→ FPGAによるOSなしの構成例：図1(b)
提案するシステム： 用途の限定により、システムをシンプルに構築
- FPGA上にプロセッサを構築（これにより、カスタマイズ可能）
- 必要となるプロセス数に応じたプロセッサコアの追加
- OSなしでリアルタイム処理を実現
ここまでは、すでに完成（図2）
次に、開発の容易化を目指す。
ソフトウエア開発を容易にするために、新たにmrubyの中間コード（図3）を実行可能にするVMの実現を目指す。ここでmrubyとはembedded Rubyのことで、特徴として組み込みシステムに適した言語と実行環境を持つ。具体的にはRuby言語で書かれたプログラムをmrubyコンパイラを用いてバイナリコードに変換する。そして生成されたバイナリコードをマイコン上のmruby VMで実行する。
このようなmruby VMをFPGA上にハードウエアとして実現することで、以下のようなシステムの実現を目指している。
- mrubyコンパイラが出力したバイナリを実行
- ソフトウエアの開発が容易（PC上で評価可能）
- mrubyのライブラリが利用可能
- mrubyVMのサブセットとすることにより
- メモリの管理を容易化
- ハードウエアリソース管理の容易化
FPGA 上に作成した評価システムで実行するプログラムの例を図4に、実行時のタイミングチャートを図5に示す。
現状は、簡単なプログラムは実行可能となった図6にFPGAボードで実行した様子を示す。
今後の課題：
- より高度な命令の実装
- メモリ管理機能の実現
- mruby用複数プロセッサの実現
の実現を目指す
研究シーズ・教員に対しての問合せや相談事項はこちら
技術相談申込フォーム