電子情報工学科

2分木の応用として、2項演算子と数値を表現する方法を説明した。

式と表記法

木での表現の前に、式を演算子の優先順位のカッコ無しで表現する手法として、 逆ポーランド記法などを説明する。また、逆ポーランド記法で表記されたデータを 処理する場合にはスタックなどが便利であることも説明する。

中置記法: 1+2*3
逆ポーランド記法: 1,2,3,*,+  (後置記法)
前置記法: +,1,*,2,3

スタックを使えば、逆ポーランド記法データから値を求める処理が簡単。 数値ならスタックに積む。演算子なら２つデータを取って計算し、結果を再びスタックに積む。

| | | | |3|               +
| | |2| |2| |6|         ／ ＼
|1| |1| |1| |1| |7|    1     *
-------------------        ／ ＼
1 , 2 , 3 , * , +        2     3

2分木で式を表現

struct Expr {
int          value ; // left,right==NULLの時は数値
char         op ;
struct Expr* left ;
struct Expr* right ;
} ;
struct Expr* Integer( int v ) { // 数値の木を作る
struct Expr* ans ;
ans = (struct Expr*)malloc( sizeof( struct Expr ) ) ;
if ( ans != NULL ) {
ans->value = v ;
ans->op    = ' ' ; // dummy
ans->left  = ans->right = NULL ;
}
return ans ;
}
struct Expr* Operator( char op , // 式の木を作る
struct Expr* l , struct Expr* r ) {
struct Expr* ans ;
ans = (struct Expr*)malloc( sizeof( struct Expr ) ) ;
if ( ans != NULL ) {
ans->value = 0 ; // dummy
ans->op    = op ;
ans->left  = l ;
ans->right = r ;
}
return ans ;
}
int eval( struct Expr* e ) { // 木の式を評価
if ( e->left == NULL && e->right == NULL ) {
return e->value ;
} else {
int l = eval( e->left ) ;
int r = eval( e->right ) ;
switch( e->op ) {
case '+' : return l + r ;
case '*' : return l * r ;
}
}
}
void main() {
struct Expr* exp =
Operator( '+' ,
Integer( 1 ) ,
Operator( '*' ,
Integer( 2 ) ,
Integer( 3 ) ) ) ;
printf( "%d" , eval( exp ) ) ;
}

現在福井高専で運用している Moodle サーバへの機能拡張をするための、 打ち合わせに同席した。現在、f-leccsではシングルサインオンにより、 県立大学に設置されている f-leccs の Moodle サーバは、関係学校より 自由に使える。 こういう2重のMoodleサーバを運用している中で、機能拡張で、 Moodle ネットワーク機能と、携帯でアンケートを取る機能を、見せてもらった。

Moodleネットワーク機能は、他のMoodleサーバにも接続できるようになる機能みたい。 シングルサインオンで使える f-leccs があるから、 必須ではないが、将来的にシームレスに Moodle を連携するときには便利かな。

今年度は、福井県機械工業会の方々との連携事業に関係しているけど、 エコがキーワード。講習会では、太陽光発電などの話を聞いているけど、 実際家庭で使う太陽光発電の話が家電Watchで記事になっているので、 メモを残す。

• 家庭向け太陽光発電システムって実際どう?
  "ソーラーマニア"藤本健が体験した5年間 【第1回】
  ～太陽電池のために一軒家を買いました～

緊急連絡システムでは、システム全体の利用状況を見るために、 全学校で緊急メールが出されると、管理者用のメールアドレスにも メールを送るようにしてある。 でも、もう一人の管理者の先生から、最近管理者用のメールが届かないとの連絡。 (私は熊の季節には、あまりにも数多いメールが来るので、自分宛ははずしておいた)

確認してみると、最近情報処理センターのメールシステムの更新で、 管理者用のメールアドレスから、実際の管理者へのメール転送機能が設定されていなかったのが 原因だった。 ということで、センターの方に転送の設定方法を聞いて設定。 実際は、usermin(webmin)で、.forward ファイルを編集する。 usermin には、.forwardファイルを直接書き込む設定があったので、 .forward ファイルの書き方を確認しながら、転送設定を行った。

先週の授業で、OSに関係する部分の説明を終えていたが、 メモリ階層の話が抜けていたので補足。

メモリ階層

コンピュータで利用するデータには、局在性があり よく利用するデータと利用頻度の低いデータがある。 これに応じてコンピュータでは、高速・高価なメモリと、低速・安価なメモリを うまく使い分けることで、「見かけ上、高速なメモリが大容量あるようにみせる」 メモリ階層は、 (a)もっとも速く利用頻度の高いCPU内部の汎用レジスタ(多くても数百バイト)と、 (b)キャッシュメモリ(数キロバイトでS-RAMを使う)、 (c)主記憶(数ギガバイトでD-RAMを使う)、 (d)補助記憶装置(ハードディスクの仮想メモリ)で、遅くて大容量。 を使い分けている。

ネットワークの基礎

計算機システムのOSネタの後半は、ネットワークについて説明を行う。 最初に、ネットワークの利用目的として、共有・分散をキーワードに、説明を行う。

資源共有(資源分散)

ハードウェア資源を共有。プリンタサーバ(ハードウェアの共有)、 ファイルサーバ(データの共有・ハードディスクの共有)。 アプリケーションサーバ(アプリケーションの共有,ライセンスであんまり使われていないけど)

負荷分散

ムーアの法則で、コンピュータ処理速度は限界に達している。 さらなる高速化のために、計算処理を複数のコンピュータで分散して実行する。 グリッドコンピューティングやクラウドコンピューティングなど。

リスク分散

ネットワークの歴史的には、Internetの元のARPANETなどは、軍の中央コンピュータが核ミサイル破壊で、全体が動かなくなるリスクを、別なコンピュータで代用できるようにした所が始まり。現在でもコンピュータの故障リスクをなくすために、複数台で処理することが普通。 クラウドもリスク分散を兼ねている。

ネットワークの歴史として、 (1)TSSによる端末・サーバ間通信、 (2)ARPANETによるネットワーク基礎の確立、 (3)LANの発達、 (4)LAN間接続でWANの発達、 (5)WWW(World Wide Web)の発達 を紹介。

ネットワーク物理層

パソコン・周辺装置インタフェースとして、パラレル接続(高速・ケーブル配線が手間)・シリアル接続(低速・ケーブル配線が容易)がある。 シリアル接続の中で、Ethernetは接続の代表格で、 10BASE/2,5 では、同軸ケーブル接続が基本。 しかしターミネータの必要性から、接続機器の追加削除が不便だった。 10BASE/Tで、間にHUBを置いて分岐する。 10BASE/Tは、100BASE-TX、1000BASE-??と発達している…

学科のサーバでは、UPKIオープンドメイン証明を使用しているが、 登録時にパスフレーズを埋め込んでいるために、サーバ起動時に いつも入力待ちになっていた。 ちょいとググったら、技が載っていたので、メモ＆設定。
# うほ、便利…

• Apache + SSL で起動時にパスフレーズの入力をスキップする方法

構造体を使った演習も終わってるので、ワード境界とビットフィールドについて説明する。

32bitコンピュータであれば、CPUとメモリのデータのデータのやり取りは、4byte=32bit単位で 一括して行う。このため、ワード境界にまたがったデータの配置が行われると、 処理速度の低下につながる。授業では、構造体で"char a[9] ;" があった場合の説明を行う。

処理速度重視ならワード境界配置、メモリの効率よい利用であればワード境界無視(Visual C++なら"#pragma pack"らしい)だけど、年月日のデータをy=int,m=int,d=int なら、96bitになるけど、 y=0..2047,m=1..12,d=1..31で考えれば、20bitで表現も可能となる… ということを説明して、ビットフィールドを説明する。 授業では、組み込み系プログラミングなどでは相変わらずシフト演算や&(AND)や|(OR)を 使った計算も理解の必要もあるし、2進数計算の例も説明する。

昨年の授業と進展が同じなので、詳しくは昨年のページにて…

今日から、専攻科１年の4週実験が始まった。 Arduinoを使って制御をテーマに実験をおこなってもらう。 実験の概要説明の後、歯みがきロボコンで使ったオムニホイールやら、 興味があったら触ってもらおうと購入しておいた、３軸加速度センサーの 説明を行い、自分たちのテーマを決めてもらった。 簡単なArduinoの実験後の相談で、オムニホイールの車体制御に決まったようだ。

3軸加速度センサーの実験

学生さんが3軸加速度センサーを使わないことが決まったので、 プロコンなどでも使ってもらうために、こちらで実験してみる。 購入しておいたセンサーは、MMA7260Q搭載三軸加速度センサモジュール。 データシートを見ると、Vcc=3.3[V]となっているので、以下のように配線した。

(( MMA7260Q ))
Vcc : 3.3[V]
GND : GND(0V)
X : A0
Y : A1
Z : A2
GS1 : GND // 1.5Gまでの測定の場合
GS2 : GND
*SLP: 3.3[V] // SleepさせないのでHIGH

動作確認のためのプログラムで、以下を記述。

void setup() {
Serial.begin( 9600 ) ;
}
int x = 0 , y = 0 , z = 0 ;
void loop() {
x = analogRead( 0 ) ;
y = analogRead( 1 ) ;
z = analogRead( 2 ) ;
Serial.print( x ) ; Serial.print( "," ) ;
Serial.print( y ) ; Serial.print( "," ) ;
Serial.println( z ) ;
}

このプログラムを動かすと、加速度なしの状態で330〜350ぐらいの範囲で 激しく変動している。1G加速度方向では500ぐらいの値が出ている。 このままではノイズが激しいし、オフセットを引いてノイズ除去を行った。 指数移動平均 の手法(α=1/16)を使用。

int base = 335 ; // 中心値
int x = 0 , y = 0 , z = 0 ;
void loop() {
x = (15 * x  +  (analogRead( 0 ) - base) )  /  16 ;
y = (15 * y  +  (analogRead( 1 ) - base) )  /  16 ;
z = (15 * z  +  (analogRead( 2 ) - base) )  /  16 ;
Serial.print( x ) ; Serial.print( "," ) ;
Serial.print( y ) ; Serial.print( "," ) ;
Serial.println( z ) ;
}

この状態で、平置きするとZ軸方向で165の値が得られた。 様々な方向にブレッドボードを移動して、方向に応じた加速度の変化も確認できた。
# それにしてもノイズ変動が大きいなぁ…

Processing + Firmata

試しに、Processing でデータを収集しながら、表示するプログラムを手抜きで 書いてみた。

Arduinoには、"SimpleAnalogFirmata"を書き込んでおく。
[開く]-[Firmata]-[SimpleAnalogFirmata] で Compile & Writeしておく。

(( Processing ))
import processing.serial.* ;
import cc.arduino.* ;
Arduino arduino ;
color black = color( 0 , 0 , 0 ) ;
color white = color( 255 , 255 , 255 ) ;
void setup() {
size( 400 , 400 ) ;
println( Arduino.list() ) ;
arduino = new Arduino( this , Arduino.list()[ 0 ] , 57600 ) ;
}
int m = 335 ;
int x = 0 , y = 0 , z = 0 ;
void draw() {
background( white ) ;
stroke( black ) ;
x = arduino.analogRead( 0 ) - m ;
y = arduino.analogRead( 1 ) - m ;
z = arduino.analogRead( 2 ) - m ;
//println( x + "," + y + "," + z ) ;
int xx = int( x * sqrt(3.0)/2.0 - y * sqrt(3.0)/2.0 ) ;
int yy = int( - x * 0.5 - y * 0.5 + z) ;
line( 200 , 200 , 200 + xx , 200 - yy ) ;
}

もっとサクサク動くかと思ったが、カクカクだなぁ。 draw() だと、リアルタイムに描画処理の中から呼び出されないかな… Processingを使い込んでいないからなぁ…