マイコンテンプレート活用プロトタイピング開発(3)

マイコンテンプレートを使ったプロトタイプ開発の第3回は、シールド基板Joystick機能のテンプレート追加です。

Joystick for HMI (Source:Adafruit)
4方向入力とプッシュ操作ができるジョイスティック(出典:Adafruit)

要旨

STM32Fx用テンプレートを題材にしましたが、他テンプレートでも同様です。説明が長くなったので、先に本投稿の開発手順と要旨を示します。

  1. シンプルテンプレートをRenameし、「機能追加用テンプレートを作成」
  2. API作成ツール、サンプルソフトやレファンレンスなどを利用し、「追加機能を理解」
  3. 「追加機能ファイルを作成」し、追加処理をプログラミング
  4. ユーザ関数起動「Launcher()で追加処理を起動し、デバッグ」

要旨:マイコンテンプレートをプロトタイプ開発に利用すると、既に基本動作する枠組みやライブラリが準備済みなので、機能追加の開発効率が上がり、追加処理が1ファイルに閉じ込められるため、ソフトウェア資産として流用性も高まる。

シールド基板構成

機能追加に使うシールド基板は、SDカードに液晶表示画像が保存されており、カードから画像を読込み、それを液晶に出力する、これにMCUのSPIインタフェースを使う構成です。Joystickは、液晶表示の選択肢を入力するためのHMI(Human Machine Interface)に使います。

Shield Fabrication Print
TFT液晶出力、SDカードのデータ入出力、Joystickでの5SW入力、これら3機能ハードウェアを追加するシールド基板(Source:Adafruit)

回路図からも解るようにJoystickは、シールド基板のSDカードやTFT液晶とは完全に別物です。1個のJoystickで「上下左右」と「プッシュ」の5入力を1本のADC入力だけで処理できますので、効率的で低価格なHMI実現手段の1つと言えます。

本投稿は、このJoystickのADC入力を弊社STM32Fxシンプルテンプレートへ追加し、ADC_Joystickプロジェクトを作り動作確認します。

関連投稿:テンプレート活用プロトタイピングの開発方針:第1回ソフトウェア概要:第2回

テンプレート変更準備

今回は、初めてですので、少し丁寧に説明を加えます。

最初に、ワークスペースへシンプルテンプレートを取込み、これに「変更を加える前」にプロジェクト名をADC_JoystickへRenameします。

Template Project Rename
Template Project Rename

Renameを選択すると、プロジェクト名の入力ダイアログが現れますのでADC_Joystickと入力します。

さらに、「手動」でcfg/ico/pdf/txtの4ファイル名をADC_Joystick. cfg/ico/pdf/txtに変更します。

最後に、ADC_JoystickをClean ProjectとBuild Projectすると、正常にコンパイルされ、シンプルテンプレートからADC_JoystickへRenameが成功したことが確認できます。

Tips:リネームプロジェクト名は、「追加周辺回路_装置」としました。プロジェクト名を見れば、時間が経過した後でも、内容が解りやすいメリットがあります。

関連投稿:Eclipse IDEプロジェクトのImportやRename方法

また、レファレンスプロジェクトとしてTFTシールドサンプルソフトもワークスペースへ取込みます。方法は、
File>Import>Existing Projects into Workspaceで
Repository>STM32Cube FW F0 V1.9.0>Project>STM32F072RB-Nucleo>Demonstrations>STM32F072RB-Nucleoを選択しImportしてください。

以上で、2プロジェクトがワークスペースへ入り、ADC_Joystickに変更を加える準備ができました。

Renamed to ADC_Joystick Project
ADC_JoystickプロジェクトとTFTシールドサンプルソフト(STM32F072RB-Nucleo)がワークスペースへ入る

STM32CubeMXでADC追加

Joystickで利用するADCを、STM32CubeMX(以下CubeMX)でADC_Joystickプロジェクトへ追加します。

CubeMXを起動し前章で手動変更したADC_Joystick.icoをLoadすると、シンプルテンプレートのCubeMX設定がロードされます。これに周辺回路ADCを追加します。

ADCのIN8に☑を入れると、PB0ピン、PB.00を使うことが解ります。このPB.00がArduinoコネクタA3に接続されており、Joystickのアナログ値がADCへ入力されます。

STM32CubeMX Setting
STM32CubeMX Setting

通常は、ここでADCを利用するサンプルソフトなどを参照し、詳細設定を調べます。しかし今回は、もっと直接役立つレファレンスプロジェクトのADC関連ソースを読みます。

※レファンレンスソースは一部しか抜粋しませんので、解りにくいと思いますが、文章が分かれば十分です。

TFT_ShieldDetect Logic
TFT_ShieldDetect Logic

ADC関連は、最初にmain.cのL120でシールド基板の実装有無を確認し、実装(SHIELED DETECTED)ならばTFTを初期化(BSP_LCD_Init())し、SDカードから画像読込み(SDCard_Config())を実行します。

L116のコメントから、PB.00電圧レベルで基板有無を確認していることが解ります。そこで、ShieledDetect()を読むと、アナログ入力として使う予定のPB.00を、ここでGPIO入力+プルダウンへ初期設定した後、電圧レベルを読込み、0以外で基板実装と判断しています。

PB.00をアナログ入力に設定しているのは、TFT_DisplayImages()の中、L304のBSP_JOY_Init()です。

つまり、最初にPB.00をGPIO入力+プルダウンに設定し、入力が0以外で基板実装と判断し、次に同じPB.00をADCのIN8に再設定(stm32f0xx_nucleo.cのL841)します。アナログ入力では基板有無の判定ができないのです。
プルダウンが設定できるGPIO入力なら基板無し(電圧レベル=0)の判定が可能です。また、ADC設定は、CubeMXのデフォルト設定で良いことも解ります。

Tips:「同じピン機能をADCからGPIOに切替えて実装有無を判断するテクニック」は、今回だけでなく他でも使えるので覚えておくと役立ちます。

以上、レファンレンスからADCの使い方が解りました。CubeMXへADC追加後のConfigurationタブを示します。CubeMX ProjectをセーブしGenerate Code、Generate Reportを実行し、初期化コードを生成して下さい。

STM32CubeMX Configuration
STM32CubeMX Configuration

シールド基板実装判定GPIOとADCの切り替え

ADC_Joystickのmain.cには、PB.00のADC初期化コードMX_ADC_Init()がCubeMXにより自動追加されます。では、どこで基板実装有無を確認するかというと、L232のUserInit()で行います。

UserInit()
テンプレートに準備済みのUserInit()

UserInit()は、無限ループ実行直前に、何らかの独自設定をユーザが行うための関数です。テンプレートには初めからこの関数が準備されています。

Shield Detection Logic in UserInit
Shield Detection Logic in UserInit

UserInit()のL128で基板実装判定のため、PB.00を再度GPIOに設定し直します。そして、判定結果をUSB経由のCOMポートへ出力します。テンプレートには、COMポート出力機能がありますので、簡単に判定結果が出力できます。

基板実装を確認したら、L146でPB.00を再再度ADCに設定します。

つまり、PB.00はCubeMXでADCとして初期設定しますが、UserInit()で基板実装判定のためGPIOに再設定し、実装済みならもう1度ADC初期設定をします。ADC初期設定コードは、CubeMX自動生成コードですので、将来ADC設定に変更が生じたとしてもCubeMXを変えれば良いだけで、ソースはそのまま使えます。

後は、ADCの値を読んで、stick位置を判断し、その結果も基板実装結果と同様、COMポートへ出力すればJoystick関連の追加処理は完成です。

STM32F0とSTM32F1のBSP

BSPはBoard Support Packageのことで、評価ボード用のライブラリです。
STM32F0用は、Drivers>BSP>stm32f0xx_nucleo.c/hです。STM32F1用は、stm32f1xx_nucleo.c/hです。

関連投稿:BSP解説は、コチラの投稿のSTM32Fxファームウエア構成やHAL Examplesの章を参照。

Joystickのstick位置判断関数BSP_JOY_GetState()もこのBSPで提供されますが、面白いことに、F0用とF1用のBSP_JOY_GetState()の閾値が異なります。どちらも同一条件で動作するので異なる必要はありません。また、if~else if~else文で分岐するのも、処理時間が長くなります。

Difference Between F0 BSP_JOY_GetState() and F1
Difference Between F0 BSP_JOY_GetState() and F1

そこで、F0用のより広い判断閾値を使い、if文とgoto文で分岐する方法を用いました。

Stick Position Judgement
Stick Position Judgement

ADC_Joystickプロジェクト動作確認

Joystickのみ機能追加する場合に備え、stick位置のCOMポート出力、STM32F0xとF1xで共用のための#ifdef~#endifなどの関連処理を新規追加のJoystick.cファイルに集め、ADC_Joystickプロジェクトへ加えました。

ADC_Joystick File Configuration
ADC_Joystick File Configuration

シールド基板を実装すると評価ボード上の青SWが操作できませんので、ユーザ関数を起動するLauncher()のSwScan()はコメントアウトし、代わりに40ms周期起動にstick位置の取得判断関数:JoystickSacn()を入れました。

完成したADC_Joystickプロジェクト動作中のCOMポート出力例を示します。

ADC_Joystick COM Output Example
ADC_Joystick COM Output Example

まとめ

STM32Fxシンプルテンプレートを使って、シールド基板のJoystick機能のみを追加しました。

長文説明になりましたが、実際に行った処理は、下記のようにとても簡単で単純です。

  1. テンプレートプロジェクトをRenameし、ADC_Joystickプロジェクト作成
  2. STM32CubeMXで、作成プロジェクトへADC機能を追加
  3. レファレンスプロジェクトのADC関連部分を読み、使い方と設定理解
  4. 機能追加/削除を容易にするため、Joystick.cファイルを新規追加し、ADC関連処理記述
  5. Launcher()で起動し、必要に応じて処理結果をCOMポートへ出力し、追加処理の動作確認

テンプレートには、COMポート出力やUserInit()などの基本的な処理と枠組み、BSPなど開発に必要となるライブラリが既に準備済みなので、「追加する処理にのみ集中して開発できる」ことがお判り頂けたと思います。

Joystickファイルを新規追加すると、機能の追加/削除、他プロジェクトへの応用も簡単です。ユーザが手動で変更する箇所は、ユーザ関数を起動するLauncher()やUserInit()、COMポートへの出力メッセージ程度で、初期化コードなどはAPI作成ツールSTM32CubeMXが自動的に生成します。

NXP LPC80xの新しい動き

NXPからNFC機能搭載LPC8N04発表に続き、新たにLPC802とLPC804がLPC800 MCUファミリに追加されました。従来LPC8xxファミリのLPC810やLPC824から仕様の新しい変化が感じられます。

わずか30秒のLPC802評価ボードLPC804評価ボードの綺麗な動画を見るだけでもキーポイントが解ります。

LPC80x評価ボード価格(価格は全てDigiKey調べ)

仕様の変化

LPC8xxファミリのラインアップが下記です。

LPC8xx Family (Source:NXP)
LPC8xxファミリラインアップと新規追加LPC80x (Source:NXP)

15MHzコア速度

LPC8xxファミリは、32ビット ARM Cortex-M0+コアを用います。Cortex-M0+は、8/16ビットMCUの置換えが目的の低消費電力コアです。従来は最大動作周波数30MHzでしたが、LPC80xはこれが15MHzになっています。

最大動作のスペックで、運用時は必要に応じ消費電力を抑えため動作周波数を下げるのが常套手段ですが、LPC80xではこの最大スペックが初めから15MHzになっています。これは、性能と電力消費のバランスを見直し、32ビットコアならばこのスペックでも8/16ビットMCUに十分対抗できると判断したためと思われます。

8/16ビットMCU市場を32ビットMCUで獲得するには、「従来以上に消費電力の低さが必要」なのです。

EEPROM based Flash

従来はFlashと記述されたユーザプログラム領域が、EEPROM Flashに変わっています。
※LPC8xxファミリは、Flashがユーザプログラム領域、SRAMはユーザデータ領域、ROMはデバイスに始めから実装済みのNXP提供プログラム領域(簡単に言うとライブラリ)です。弊社LPC8xxテンプレートに使用例があります。
※LPC8N04の4KB EEPROMは文字通りデータ保存用のEEPROMデバイスをSoCでMCUへ内蔵したものです。LPC8N04はコチラの投稿を参照してください。

LPC802 and LPC804 Block (Source:Mouser Electorinics Japan)
LPC802 and LPC804 Block (Source:Mouser Electorinics Japan)

このEEPROM based Flashと明示の意味するところ、従来との差、目的など、現時点ではよく解りません。しかし、明示する訳があるハズです。判明次第、投稿予定です。

Programmable Logic Unit(PLU)内蔵

LPC804ブロック図では、ピンク色のProgrammable Logic Unit(PLU)、ユーザ変更可能なディスクリートロジック機能も内蔵しています(簡単に言うとPLD:Programmable Logic Deviceです)。

PLU Tool Schematic design (Stource:Part 3 PLU Tool Schematic design Video)
PLU利用のロジック例 (Stource:Part 3 PLU Tool Schematic design Video)

このPLUを使うと、WS2812 LEDやDCモータ制御、パターンジェネレータなどが簡単に実装できるようです。

レジスタプログラミング方式のサンプルソフト提供

ARMコアのソフトウェア開発は、CMSIS:Cortex Microcontroller Software Interface Standardで流用性を高める記述が標準的です。しかし、8/16ビットMCUのソフトウェアは、ハードウェアレジスタを直接アクセスするレジスタプログラミングが主流でした。このレジスタプログラミングを好む開発者も多いと聞いています。

LPC80xのサンプルソフトは、このレジスタプログラミング方式のCode Bundleで提供されます。

関連投稿:CMSIS構造や目的は、コチラの投稿の、“CMSIS”章を参照してください。

8/16ビットMCU市場置換えと開発者ニーズへの最適化LPC80xデバイス

8/16ビットMCUの市場置換えとその開発者ニーズを満たすという目的に、従来LPC8xxファミリよりもさらに最適化した32ビットMCU、これがLPC80xだと思います。評価ボードも低価格で提供中です。

また、日本時間、金曜午前0時~午前1時の1時間に、全4回のWebinarが予定されております。本投稿以降は、6月15日(金)と6月22日(金)の午前0時からです。英語ですが、使用スライドは4回全てダウンロードできますので興味がある方は登録し御覧ください。

マイコンテンプレート活用プロトタイピング開発(2)

マイコンテンプレートがプロトタイピング開発に適すシリーズ投稿第2回は、開発に活用流用できるソフトウェア=ライブラリの概要を示します。説明するライブラリが下記です。詳細説明が必要になった時は、それに応じて追記するので、今回は概要を示します。

  1. Arduinoシールド付属C++ライブラリ
  2. SW4STM32付属デモソフト
  3. STM32CubeMX:初期化Cコード生成ツール
  4. HAL:Hardware Abstraction LayerとBSP:Board Support Package
  5. Middleware Components:ミドルウェア:FatFs
  6. STMicroelectronicsアプリケーションノート
  7. STMicroelectronics Communityやネット情報

ソフトウェアは、ドライバーやミドルウェアなど階層構造や使い方に応じて色々な呼び方がありますが、本投稿では、開発に使える可能性のあるソフトウェアや情報を、全てライブラリと呼びます。つまり、開発者自らが開発するソフトウェアと、その開発に使えるライブラリの2つに大別して説明します。

開発着手時は、各ライブラリ概要をおおよそ把握し、自分で開発するソフトのイメージが捉えられれば十分です。後はそのイメージをソフトの形にしてテンプレートに追加すれば、プロトタイピング開発完成です。

1.Arduinoシールド付属C++ライブラリ

Arduinoは、オープンソースハードウェアのシングルボードコントローラです。Arduinoコネクタにシールド基板を実装すれば、誰でも簡単に機能追加できるのがウリです。もちろんハード制御に必須なソフトウェア=ライブラリもシールド基板とともに提供されます。

TFTシールド基板ライブラリは、ArduinoのAPIを利用しC++で記述(左下:shieldtest参照)されています。Arduino IDEにこのライブラリを追加しさえすれば簡単に基板の動作確認ができ、ソース変更も容易です。しかし、これを対象マイコン用に変更するのは、簡単ではありません。API変更とC++が問題です。

Adafruit TFT shieldtest Sketch running
Adafruit TFT shieldtest Sketch running

2.SW4STM32付属デモソフト

SW4STM32には、TFTシールド基板のデモソフトが付属しています。UM1787にデモファームウェアが紹介されており、利用や変更、修正など開発者が自由に使って良いライブラリです。

TFT Shield Demonstration running (Source:UM1787)
TFT Shield Demonstration running (Source:UM1787)

但しこのデモソフトは、デモの表示画像やテキストの変更は簡単でも、一部機能の切出しや新機能の追加、例えばUART入出力処理の追加などは容易ではありません。また、最新の開発ツールSTM32CubeMXベースで開発されたのもでもなく、エキスパートが自作したものです。

このデモソフトのような既存ファームウェアがあっても、そのまま流用活用しにくいというのは、MCUソフトウェア開発ではよくある話です。既存ファームウェアやライブラリの解析に手間と時間がかかるため、新たな環境で新たなソフトウェアを開発したほうが早く済むこともよくあります。

ナゼか? それは、流用性や資産とすることを念頭に置いてソフト開発をしないからです。MCU処理能力の低さやメモリ量の少なさが主な原因ですが、これらは今後改善されます。MCUソフトも流用性を重視し、ソフトウェア資産、部品化を考慮した開発が今後必要です。

3.STM32CubeMX:初期化Cコード生成ツール

STM32CubeMXは、STM32シリーズの全MCUに対して、GUIでパラメタを設定しさえすれば周辺回路の初期化Cコードを自動生成するツールです。また、SW4STM32を含め全IDE(TrueSTUDO、MDK-ARM、EWARM)で共通に使えるなど守備範囲も広く「STM32ソフトウェア開発の要」です。

UM1718に解説があります。このUM1718のTutorial 2に、MCUはSTM32F4ですが、本開発に使えるSTM32CubeMXの設定方法があります。

関連投稿:STM32CubeMX設定については、コチラの投稿も参照してください。

4.HAL:Hardware Abstraction LayerとBSP:Board Support Package

HALは、文字通りハードウェア隠蔽機能を提供する階層です。CortexコアといえどM0/M0+/M3/M4などハードウェアは異なります。この異なるハードにも関わらずHALが同じAPIを上位層に提供するので、性能不足などでコア変更が生じても同じソフトが流用できる訳です。UM1749に詳しく解説されています。

BSPは、このHALのAPIを組み合わせた評価ボード特有機能のマクロ関数です。評価ボードを制御系にそのまま利用する時に便利です。

HALやBSPを使うとオーバーヘッドも生じます。しかし、流用性向上のメリットの方が大きいと思います。

関連投稿:HALのオーバーヘッドは、コチラの投稿の、“STM32CubeMXの2種ドライバライブラリ”を参照してください。

5.Middleware Components:ミドルウェア:FatFs

FatFsは、MCU向けの汎用FATシステムモジュールでフリーソフトウェアです。MCUハードには依存しないので、どのマイコンでも使えるのが特徴です。FatFs APIを使うと、SDカードなどのファイルシステムに簡単にアクセスできます。

STM32CubeMXでは、MiddleWaresのFatFs、User-definedに☑を入れると使えようになります。

STM32CubeMX MiddleWare FatFs
STM32CubeMX MiddleWare FatFs

6.STMicroelectronicsアプリケーションノート

UM1721は、“Developing Applications on STM32Cube with FatFs”と本開発にはピッタリの内容です。3.3にサンプルソフトがあります。これは、FatFsを使って開発したソフトの単体テストに使えます。

7.STMicroelectronics Communityやネット情報

STMicroelectronics Communityなどのベンダーコミュニティは、開発者同士の情報交換、質問の場です。各ベンダーは、提供ツールのバグ情報や更新方針などもこのコミュニティーから収集していますので、時々閲覧すると参考になります。開発でつまずいた時など解決方法が見つかることもあります。

また、検索エンジンでは様々なネット情報が得られます。最新情報などを取集すると、開発動向の把握も可能でしょう。

開発ソフトウェア構成とイメージ

今回のソフトウェア開発に役立つライブラリ概要を示しました。

直ぐにソースコードを書きたい気持ちを少し我慢して、ほんの少し事前調査をすると、視野が広がり使えそうなライブラリの見当もつきます。使えるモノを流用すれば、より重要箇所に集中できます(前回投稿の「選択と集中」ができます)。

本開発は、SPIシールド基板で追加する3機能毎にSTM32CubeMXを用いてソフト開発し、テンプレートへ追加します。また、流用性を上げるため追加機能毎にファイル化し、単体機能の追加削除も容易な構成とします。これをまとめたのが前回投稿の開発方針図です(再掲します)。

Development policy
初期設定生成ツール:STM32CubeMXや、評価ボード開発支援ライブラリを活用しテンプレートへ機能追加

MCUのライバル

プレッシャーをかけるつもりはありませんが、競合他社のMCUだけがライバルではありません。

ArduinoコントローラやRaspberry Pi 3などのMPUは、後発の利点を活かし、ソフトウェア/ハードウェア開発が、誰でも早く簡単にできる工夫が施されています。どちらも低価格で開発環境が整います。MCU開発者の方は、是非どちらか試して、MCUに比べ開発の簡単さを実感してください。

MCU Rivals_R1
MCUのライバルは、競合他社だけでなく、ArduinoコントローラやRaspberry Pi 3などもある。

制御系

特徴

開発障壁

ソフトウェア流用性

MCU

低消費電力
アナログ/デジタル周辺機能豊富

高い

低い

Arduino/Genuino

オープンソースハードウェア基板
豊富なシールド基板で機能追加が容易

低い

高い

Raspberry Pi 3 B/B+

OS搭載シングルボードコンピュータ
動画再生や複雑な技術計算も可能

とても低い

高い

最新Arduinoの動きとしては、SonyのSPERSENSEなどがあります。また、Raspberry Pi 3 B+では、コア速度やLAN高速化、PoEなどのIoTに向けた性能向上も図られています。

MCU評価ボードにArduinoコネクタの採用が増えたのは、豊富なシールドハードの簡単追加が目的です。また、ARM CMSISもMCUソフト流用性を高める方策の1つです。

関連投稿:ARM CMSISの目標については、コチラの投稿の、“CMSIS”を参照してください。

CMSIS実用化に伴い、MCUソフトウェア開発者も、個人レベルでソフト資産化と各種ライブラリ活用技術を身につけないと、先行するArduinoやRaspberry Piへ顧客が逃げてしまいます。

逆に、ArduinoやRaspberry Piのソフトウェアやライブラリを積極的にMCUへ流用するアプローチも(簡単にできれば)良いと思います。

いずれにしても、MCUソフトウェア開発は、既存ライブラリや様々な資産をより活用して、開発効率化を上げることが必要でしょう。

マイコンテンプレート活用プロトタイピング開発(1)

Adafruit 1.8 Color TFT Shield with microSD and Joystick
Adafruit 1.8 Color TFT Shield with microSD and Joystick (Source: Adafruit)

前投稿で、プロトタイピング開発に、マイコンテンプレートが適すと説明しました。その理由は、テンプレートの既に出来上がった汎用処理へ、顧客要求機能を追加しさえすれば、早期に顧客ソフトウェア開発がほぼ完成するためです。つまり、顧客仕様の開発に、より集中できるのです。

働き方改革と、今後も増える仕事量、このバランスを開発者が保つには、選択と集中です。
集中すべきは顧客独自仕様、それ以外は既存資産をより流用活用するテクニックを身につけることです。

具体的にこのこと説明するため、今回から数回に分けて、マイコンテンプレートと評価ボードに、上図Arduino SPI接続シールド基板を追加する開発例を使って、プロトタイピング開発にテンプレートが適すことを説明します。

テンプレート活用開発例の前提条件

途中、別内容の投稿もありますので、3カ月程度の期間で7~10件程度のシリーズ投稿を予定しております。

STM32F072RB/Cortex-M0コアを用いますが、STM32FxテンプレートのCortex-M3コア/STM32F103RBでも同様です。また、投稿カテゴリーはSTM32マイコンですが、他マイコンのテンプレートを使用中、検討中の方も参考にしてください。

様々なシールド基板がある中で、SPI接続シールドを選択した理由は、マイコンでも従来のGPIOによるLCD表示から、よりリッチなSPI:Serial Parallel InterfaceによるカラーLCD表示に変わりつつあることが背景です。詳細は、コチラの投稿を参照してください。

Arduino SPI接続シールド基板構成

Adafruitの1.8“カラーTFTシールド(128×160ドット)、microSDカードスロットとジョイスティック搭載基板(3,680円)は、秋月電子から入手できます。

Shield Fabrication Print
3ハードウェア機能を追加するSPIシールド基板 (Source:Adafruit)

このシールド基板は、TFT液晶出力、SDカードのデータ入出力、Joystickでの5SW入力、これら3機能を、マイコン評価ボードArduinoコネクタに装着するだけでハードウェアの追加ができます。

そこで、テンプレートへシールド3機能のソフトウェアを追加していきます。これにより、Joystickのみ、SDカードのみ、あるいは全機能の追加などいろいろなバリエーションの開発例を説明します。

サンプルソフト、レファレンスソフト構成と開発方針

本開発に使えるサンプルソフトや既存ライブラリを一覧にし、開発方針を図示しました。

Development policy
初期設定生成ツール:STM32CubeMXや、評価ボード開発支援ライブラリを活用しテンプレートへ機能追加

Arduinoのシールド基板には、C++ライブラリが付属していますが、これはArduinoでの動作が前提なので、マイコンにはそのまま使えません。

上手いことに開発環境SW4STM32には、使用するArduino SPI接続シールド基板のデモサンプルソフトが付属しています。但し、このデモソフトは、エキスパートが自作したExamples and Demosなので、部分的に機能を切出そうとすると、解析や変更に手間取ります。

せっかく初期設定生成ツール:STM32CubeMXや、評価ボード開発支援ライブラリのBSP:Board Support Packageがあるのですから、これらツールやライブラリを活用しない手は無いでしょう。
そこで、図示したようにデモソフトは、レファレンスとして活用し、極力STM32CubeMXやBSPを使ってエキスパート自作ソフトと同じものを、初心者でも開発できることを開発方針とします。

シリーズ投稿の予定内容

実際に着手しないと投稿内容は確定しませんが、一応の目安として、下記内容の投稿を目標、予定しています。

第1回、シールド基板、サンプルソフト、レファレンスソフト構成と開発方針(←今回の投稿)
第2回、BSP、FatFs、STM32CubeMX、デモソフト、アプリケーションノートなどの活用/流用可能ソフトウェア概要
第3回、Joystick機能のテンプレート追加:Joystickのみ追加希望の方は、ココまでで開発できることを目標にします。
第4回、SDカードリード/ライト機能のテンプレート追加:SDカードのみ追加希望の方は、ココまでで開発できることを目標にします。
第5回、TFT表示機能のテンプレート追加:TFT表示のみ追加希望の方は、ココまでで開発できることを目標にします。
第6回、SPIシールドテンプレート構成:シールド3機能全てを追加する場合のテンプレート構想
第7回、SPIシールドテンプレート開発:シールド基板活用のTipsなどの資料も含むテンプレート化を目指します。

このように、現在のGPIO LCDを使ったテンプレート応用例Baseboardテンプレートに加えて、最終回にはSPIシールドテンプレートとして発売できれば完成です。ご期待ください。

Yano E plus 2018.5にHappyTech掲載

シンクタンクの矢野経済研究所様の月刊誌Yano E pulsの2018.5、注目市場フォーカス:MCU(マイコン)市場の6-7に、弊社HappyTechが掲載されました。MCUの現状、2021年までの市場予測、ベンダー各社動向などがまとめられたレポートです。お近くに冊子がある場合には、ご覧ください。

ARMが考えるIoTの3課題と4施策

ARMはMCUコア開発会社ですが、製造はしません。開発したコアのライセンスをMCUメーカーへ供給し、このコアに自社周辺回路を実装し各メーカーがMCUデバイスを製造販売します。コア供給元のARMが考えるIoTの3つの課題記事を紹介します。

ARMの課題と施策

本ブログ掲載MCUでは、NXP、STM、CypressがARMコア、ルネサスがNon ARMコアです。いまやARMコアがMCU世界のデファクトスタンダードです。つまりARMの考えは、MCUメーカー各社に多大な影響を与えると言うことです。

ARMが考えるIoTの課題が、「デバイスの多様性」、「エンドツーエンドセキュリティ」、「データの適切な利用」の3つです。そしてこれら課題に対して、「Cortex」、「Mbed OS」、「Mbed Cloud」、「PSA:Platform Security Architecture」の4つの施策で対応します。
課題と施策の内容は、Arm、IoTプラットフォーム「Arm Mbed Platform」アピールの記事に説明されています。

上記記事で、最も印象に残ったのが、ARM)ディペッシュ・パテル氏の下記コメントです。

「専門知識がないユーザーでも、デバイスメーカーが提供するデバイスを購入して、Mbed OSを使えばすぐに利用できる。重要なことはシンプルであることだ。」

MCU開発者の課題と施策

さて、これらARMの施策に対してエンドポイントMCUソフトウェア開発者である我々の課題と施策は何でしょうか?

ARMの課題「デバイス多様性」や「セキュリティ」には、Cortexコア習熟や、セキュリティ理解などが必要です。また、最近更新が盛んなMbed OS習得も加わるでしょう。

記事記載の市場規模は大きくなっても、開発時間はこれまで以上に短く、また、顧客要求も多様化、複雑化するハズです。

従って、従来のような開発方法よりむしろ、スピード重視のプロトタイピング開発が求められると思います。これには、既存ライブラリやサンプルソフト流用、活用技術を磨く必要があるでしょう。前々から言われるソフトウェアの部品化開発手法です。

流用する中身に多少不明な点があっても気にすることはありません。パテル氏コメントの「シンプルであること」を常に念頭に置きながら開発を進めることが重要です。シンプルであれば、様々な状況変化へも対応できます。開発が終わった時に振り返ると、不明内容はおぼろげながら見えるものです。

具体的な手段

弊社は、プロトタイピング開発への具体的な実現手段として、ARMコアのNXP、STM、Cypress各社、およびNon ARMコアのルネサスに対してマイコンテンプレートを提供中です。テンプレートと評価ボードを使えば、早期開発着手と汎用開発部分の使いまわしも簡単で、プロトタイピング開発に最適です。

汎用処理が出来上がったテンプレートへ、顧客要求実現の開発部分を組込めばソフトウェア全体がほぼ仕上がる仕組みです。

また、Mbed OSの仲間であるFreeRTOSを例に、マイコンRTOS習得ページもテンプレートサイトに掲載しております。ご活用ください。

2017年アナログICメーカー売上高ランキング

2017年のアナログICメーカー売上高トップ10が、5月2日EE Times Japanで発表されました。

2017年アナログICメーカー売上高ランキング(出典:記事)
2017年アナログICメーカー売上高ランキング(出典:記事)

アナログ市場全体の成長率は10%、そのうちの上位10社のみで59%ものシェアを占めます。唯一マイナス成長となったNXPは、昨年汎用ロジック/ディスクリート事業をNexperiaへ売却したためです。

MCUメーカーのアナログICシェア

2017年アナログIC売上高シェア
2017年アナログIC売上高シェア。ブログ掲載中のMCU各社もランクインしている。

本ブログで扱っているMCUベンダのSTMicroelectronics(シェア5%)、NXP Semiconductors(4%)、ルネサスエレクトロニクス(2%)などもこのトップ10に入っています。一方Cypress Semiconductors のMCU PSoC 4などは、コンパレータやアンプなどのアナログ機能が他社MCUよりも充実していますが、売上高トップ10には入っていません。ADCやDACなどのアナログ単体ICの範疇にPSoC 4が入らないためかもしれません。

これらMCU各社をハイライトして、2017年アナログIC売上高シェアをグラフにしました。Texas InstrumentsもMCUを販売していますが、ブログの対象外ですので外しています。

IoTでは、とりわけMCUのフロントエンドにアナログ機能が必要です。好調なアナログ市場の伸びに伴って、アナログ機能をMCUに搭載したデバイスが発表される可能性があると思います。

NXPのQUALCOMMによる買収、取りやめ?

日経新聞4月20日に、“クアルコム、止まらぬ受難 NXP買収に暗雲”記事が掲載されました。
記事では、トランプ米大統領のBroadcomのQUALCOMM買収禁止命令の報復として、中国当局が承認に難色を示し、7月25日まで買収期限を再延長し、最悪の場合、買収が取りやめになることもあるそうです。

2017年半導体売上高ランキング

2017年の半導体売上高ランキングもEE Times Japanで発表されました。日経記事に登場したイスラエル)NVIDIAが10位、オランダ)NXPは9位、米)QUALCOMMは6位、Broadcomは5位です。

半導体売上高トップ10ランキング(出典:記事)
半導体売上高トップ10ランキング(出典:記事)

仮にNXPの買収が取りやめになった場合、NXPにとってそれが良いのか悪いのかは、判りません。ただ急成長する自動車分野の制御にMCUの老舗、NXPの名前が残るのは悪くないと思います。※ルネサスMCUが、日立、NEC、三菱の統合であり、3社の名前の記憶が薄くなっていくのもさみしいものですから。

決着は、今年の夏頃(2Q 2018)になりそうです。

技術レベルとは異なる政治、経済次元での買収結果が、MCU技術にどのように影響するかは、注意深く見守る必要があります。

NXPのMCUXpresso Support Devices Table(Mar. 2018)へ更新

NXPのMCUXpresso Support Devices Tableが、3月9日更新されました。Change Logページ記載のとおりLPC80X、LPC8N04、LPC540XXが更新され、本ブログ対象のLPC8xxにもSDKやCFGが2Q 2018に提供予定です。LPCOpenライブラリのバグ問題が、新しいSDKで解決されることを期待しています。

NXP MCUXpresso Supported Devices Table (Mar 2018).
NXP MCUXpresso Supported Devices Table (Mar 2018). Product Family filtered with LPC 8xx.

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IoTデバイス向け高速軽量改ざん検出技術

NECが、IoTデバイス向け軽量改ざん検出技術を開発しました。以下の特徴があります。

  1. 機器動作に影響を与えない⾼速改ざん検知(2KB実装サイズ機能を、約6msecで検査)
  2. 改ざん検知機能⾃体の保護と軽量実装の両⽴(Cortex-M23/33のTrustZone活用、4KB以内で実装)

TrustZoneのSecure World

セキュリティ強化のARMv8-MプロセッサCortex-M23とCortex-M33には、TrustZoneと呼ぶメモリ保護領域:Secure Worldの作成機能があります。このSecure Worldがあることが前提条件です。

2KBサイズ機能を6msecで検査できるのは、検査領域の絞り込みと実行コードのみのシンプルな監視方法のためで、遅延がゆるされない搬送ロボットなどのIoT機器にも適用できるそうです。

高速改ざん検出(出典:NECサイト)
高速改ざん検出。2KB実装サイズ機能を、約6msecで検査可能。(出典:NECサイト)

Secure World内へ、改ざん検出機能、ホワイトリスト、サーバ通知機能合わせて4KB以内に実装できるので、メモリ容量が少ないIoT機器にも適用できるそうです。

改ざん検知機能⾃体の保護と軽量実装(出典:NECサイト)
改ざん検知機能⾃体の保護と軽量実装。改ざん検出機能、ホワイトリスト、サーバ通知機能合わせて4KB以内に実装できる。(出典:NECサイト)

高速かつ軽量のため、低電力消費で24時間監視とリアルタイム改ざん検出の結果、IoT機器の信頼性を高めることができます。

ARM Cortex-M23/33のTrustZoneを活かしたセキュリティ強化機能です。検査機能限定の実装方法などは、全てのMCUソフトウェア開発へも応用できます。

Secure World領域があってこその技術ですが、TrustZone無しのCortex-M0/M0+/M3へも使えれば嬉しいです。Intelは、古いCPU向けのSpectre対策パッチは提供しないそうですが、既に稼働済みのCortex-M0/M0+/M3機器に向けて、せめてものセキュリティ強化策として使えるかもしれません。

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ARM Cortex-M23の特徴

Eclipse IDEベース統合開発環境のプロジェクトImport、Renameの方法

統合開発環境のデファクトスタンダードがEclipse IDE。本ブログ対象ベンダのNXP)MCUXpresso IDE、ルネサス)e2studio、Cypress)PSoC Creator、STM)SW4STM32など全てこのEclipse IDEをベースとした統合開発環境です。

ベンダやマイコンが変わっても殆ど同じ操作でエディットやデバッグができるので、慣れが早く、本来のソフトウェア開発に集中できます。但し、オープンソース開発なので、毎年機能追加や変更があり、2018年は6月にバージョン4.8、コードネームPhoton(光子の意味)への改版が予定されています。

本投稿は、2017年版Eclipse IDEバージョン4.7、Oxygenベースの各社IDEプロジェクトインポート、リネームの方法を説明します。
弊社マイコンテンプレートを使ってソフトウェア開発をする時、これらの操作を知っているとテンプレート:ひな型活用のプロジェクト開発がより簡単です。

IDEの例としてSW4STM32を用います。IDEは、Workspace:ワークスペースと呼ぶフォルダ単位で機能します。ワークスペース内には複数プロジェクトが存在でき、2重起動ができます。

プロジェクトImport

マイコンテンプレートは、テンプレートの具体的な応用例にシンプルテンプレートプロジェクトやBaseboardテンプレートプロジェクトをArchives形式で提供します。Archives形式は、配布に都合が良くEclipse IDEの標準方法ですので、IDEダイアログに従って操作すれば「複数の方法」でプロジェクトインポートができます。

このArchiveプロジェクトの「最も簡単」なワークスペースへのインポート方法が下記です。

  • Windowsで、Archiveを適当な場所で解凍 → 事前に作成したIDEワークスペースへ解凍フォルダ毎コピー
  • IDEで、File>Import>General>Existing Projects into Workspace実行 → インポートProjects選択
Import Existing Projects into Workspace
Import Existing Projects into Workspace。プロジェクトをインポートする方法は、マルチプラットフォーム対応のEclipse IDEの場合、複数ある。

IDEで直接Archivesプロジェクトを解凍しワークスペースへインポートすることもできますが、フォルダ選択などのダイアログ操作は面倒です。マルチプラットフォーム対応のEclipse IDEたるゆえんですが、WindowsかmacOSの上で使うのであれば、この方法が簡単です。

プロジェクト名Rename

※Rename後、Renameプロジェクトの再ビルドが失敗する場合があります。Rename前に、ワークスペース毎バックアップするなどの事前対策を実施後、Renameを実行してください。

ワークスペースに複数プロジェクトが存在するには、別々のプロジェクト名が必要です。例えば、シンプルテンプレートを使って開発したプロジェクトが既にあるワークスペースへ、もう一度シンプルテンプレートを使って新たなプロジェクトを追加作成する場合を考えます。

開発したプロジェクト名は、SimpleTemplateのままです。これをRenameしないと新たにシンプルテンプレートをインポートできません。この時は、開発したプロジェクト選択後、右ボタンクリックで表示されるメニューからRenameを選択し、別プロジェクト名に変更します。

Rename Project Name
Rename Project Name。元々のEclipse IDE守備範囲外のファイル名は、手動リネームが必要。

注意点は、この操作でプロジェクト名変更をIDEは認識しますが、IDE以外のツールで作成したファイル名などは、そのままとなる点です。図はSTM)SW4STM32の場合です。Debugフィルダ下の.cfg/ioc/pdf/txtの4ファイルがそれらです。これらファイルは、手動でのRenameが必要です。これを怠るとRenameしたプロジェクトの再ビルドやデバッグが失敗します。

これら手動Renameが必要なファイルは、各社のAPI生成ツールなどに関連したファイルで、他社IDEでも同様です。元々のEclipse IDE守備範囲外のこれらファイルは、プロジェクト名Rename時、手動Renameが必要ですので注意してください。

Rename後、再ビルドが成功することを確認してください。再ビルドが失敗する場合には、プロジェクトフォルダ毎コピー&ペーストを実行し、ペースト時にRenameしたい別プロジェクト名を設定する方法でRenameを試してください。

別プロジェクトファイルのコピー、ペースト

別プロジェクトファイルを当該プロジェクトへコピー、ペーストする方法は、同じワークスペース内であれば簡単です。ファイル選択後、コピー:Ctrl+Cとペースト:Ctrl+Vでできます。

ワークスペースが異なる場合は、IDEの2重起動を使うとファイル選択ミスがありません。

IDEは、起動中でももう1つ同時起動が可能です。IDE起動時に、異なるワークスペース選択をすれば、コピー対象プロジェクトのファイルをIDEで目視しながら選択できます。もちろん、Windowsエクスプローラでファイルを直接選択しペーストも可能ですが、普段IDEで見慣れたファイル表示で選択する方がミスは少ないです。同一ファイル名の上書き前の確認も行います。

エクスプローラでファイル表示をすると、普段IDEで見慣れないファイルなども見られます。これらが選択のミスを生みます。IDEは、必要最低限のファイルのみ表示しているのです。

IDE画面のリセット

デバッグやコンソールなど複数Perspectiveを表示するIDE画面は、時に隠したPerspectiveを表示したくなります。PerspectiveをIDE初期状態に戻すのが、Window>Perspective>Reset Perspectiveです。

Reset Window Perspective
Reset Window Perspective。IDEの初期状態ウインド表示に簡単に戻せる。

この方法を知っていると、使わないPerspectiveを気軽に非表示にできるので、画面の有効活用ができます。

まとめ

Eclipse IDEベースの各社開発環境で知っていると便利な使い方をまとめます。

  • プロジェクトインポート:IDEのExisting Projects into Workspaceを使うと簡単
  • プロジェクト名リネーム:自動リネームはEclipse IDE関連のみ。API生成ツール関連ファイルは手動リネーム要。
  • 別プロジェクトファイルのコピー&ペースト:IDE2重起動を使い、ファイル選択ミスを防ぐ
  • IDE画面リセット:利用頻度の低いPerspectiveを非表示にし、画面有効活用
Eclipse Base IDE Project Import and Rename
Eclipse Base IDE Project Import and Rename

マイコンテンプレート活用の最初の段階が、テンプレートプロジェクトのワークスペースへのインポートです。これらインポートしたテンプレートへ変更を加え、開発プロジェクトにします。

この開発プロジェクト名をリネームし、同じワークスペースへ、再びテンプレートプロジェクトをインポートします。ワークスペース内は、リネームした色々な既成開発プロジェクトから成り、様々なプロトタイピング開発へも応用できるでしょう。

ワークスペースが異なるファイル操作には、IDE2重起動でファイル選択のミスを防ぎます。

これらのTipsを知っていれば、既存資産を流用、活用し、本来のソフトウェアに集中しミスなくプロトタイピング開発ができます。

ルネサス世界初28nm車載マイコンサンプル出荷

ルネサスエレクトロニクスは2018年3月28日、車載マイコンRHファミリに28nmプロセス採用マイコンのサンプル出荷を開始しました。従来の40nmに比べ、高性能、低消費電力で大容量フラッシュメモリ内蔵の世界初、世界最高性能のルネサスオリジナルコアマイコンです。

ルネサスマイコンの命名則

車載マイコンRHファミリは本ブログ対象外です。しかし、車載マイコンが、全てのマイコンを引っ張って発展させているので、注目しています。ここでは、ルネサスマイコンの名前の付け方を簡単に説明します。

先頭に「R」が付くのが新生ルネサス誕生後に発売のマイコンです。汎用マイコンが、図のRL78、RX、RZの3ファミリ、車載アプリケーション特化マイコンが今回発表のRHファミリです。

一部例外はあるものの、殆どがルネサスオリジナルのNon ARMコアマイコンです。

ルネサス汎用マイコン
ルネサス汎用マイコンファミリ。用途、性能に応じてRL78、RX、RZと3ファミリある。(出典:汎用マイクロコンピュータラインアップカタログ)

汎用マイコンだけでも、用途や性能(ルネサスはソリューションと呼ぶ)に応じてRL78、RX、RZと3ファミリあり、さらにそのファミリの中で、RL78/G1x、RL78/F12など細かくシリーズに分かれた名前構造なので、解り難いです。

ちなみに本ブログ対象はRL78ファミリですが、RXも対象に入れるか検討中です。個人レベルでも開発環境を整え易いか否かが基準です。RXファミリの場合、実装メモリが大きいのに無償Cコンパイラの容量制限≦128KBがネックになっています。

他のH8や78K0Rなどは、日立やNEC、三菱電機などルネサスに統合前の各社マイコンの名称です。簡単に旧マイコン名が消える海外ベンダと異なり、旧会社のマイコン名をいつまでもカタログに記載するのも善し悪しです。

ルネサスSynergyは、これらNon ARMコアとは別に他社に遅ればせながら開発したARMコアマイコンファミリです。遅れた分、他社同様の売り方はせず、ルネサスSynergy Software Packageというルネサスが動作保証する専用ライブラリを提供し、開発者がアプリケーションのみを開発する方法で販売中です。個人レベルでは、特に価格で手を出しにくいと思っています。

28nmプロセス、大容量メモリの用途

ルネサスRHファミリで向上された性能を、具体的にどこで使うのかが解る図が、記事にありました。

大容量メモリの利用割合
大容量メモリの利用割合。アプリ増加比率よりも、データ、Safety、Security、Driversの増加比率が大きい。OTA利用により最低2面構成のメモリが必要の可能性もある。(出典:記事)

左側の色分けメモリマップから、アプリケーションのメモリ比率の増加よりも、Data、Safety、Security、Driversの増加比率が大きいことが判ります。つまり、開発するアプリケーションよりも、アプリが使うデータや安全性確保、ドライバーの増加がメモリ増大要因です。このドライバーの中にアプリが使うライブラリなども含まれると思います。

また、図では判りませんがOTA:Over-The-Airには、同じメモリが最低2面必要になるかもしれません(関連投稿は、コチラのIoT端末の脆弱性対応はOTA更新が必須を参照)。OTAに万一失敗しても、最悪更新前に戻るには、更新前と更新後のメモリが必要なのがその理由です。

いずれにしても大容量メモリは必須です。また、プロセス細分化でより低消費電力で高速動作を実現しています。
大容量メモリ実装、プロセス細分化は、車載マイコンに限った話ではありません。汎用マイコンでも同じです。

製造は、世界最大の半導体製造ファウンダリである台湾)TSMCが行うので、パソコンのCPU同様、マイコン:MCUも28nmプロセスへ一気に変わる可能性もあります。

半導体プロセス微細化の懸念

一方で、半導体プロセスの微細化は利益につながるのか2018年3月28日、EE Times Japanという記事もあります。28nmよりも先、10nm以下のモバイルプロセサでの話ですが、マイコンでもいずれ同じ時代が来るでしょう。

汎用マイコン技術は、先行する車載マイコンやモバイル半導体技術をベースに発展します。

先行の動向を知ることは、無駄ではありません。少し先を見越して、隠しコマンドなど遊び心がある工夫をソフトウェア、ハードウェアにこっそり入れておくのも開発者の数少ない楽しみの1つだと思います。