最新ARM Cortex-Mマイコン動向とIoT MCUを特徴付ける3要素

最新ARM Cortex-Mマイコン:MCU製品からその動向を調査します。前稿ルネサスエレクトロニクス(以下ルネサス)RL78ファミリの汎用MCU変遷に続き、ARM Cortex-MコアMCU編という位置づけです。最後に両者を比較し、IoT MCUを特徴付ける3要素についての私見を示します。

最新ARM Cortex-Mマイコン製品の特徴

本ブログ掲載中のベンダ各社とMCUです。

ブログ掲載中の各社MCU
ブログ掲載中の各社MCU

ルネサス以外は、全てARM Cortex-Mコアを用いています。これらをARMコア製品、一方ルネサスはNon ARMコア製品と呼ばれます。現在のMCUは殆どがARMコア製品です。

各社ともIoT向けのMCU新製品を発売中です。その中からNXPセミコンダクターズ(以下NXP)のLPC51U68 MCU(2018年3月発売)をピックアップし特徴を抽出します。

LPC51U68は、8/16ビット置換えを狙う低消費電力Cortex-M0+コアを最大100MHz動作まで高め、USB2.0、256KB ROM、96KB RAM実装、12bit 5Mspsと高機能ADC内蔵のMCUです。

LPC51U68 MCU Block Diagram (出典:LPC51U68 Fact Sheet)
LPC51U68 MCU Block Diagram (出典:LPC51U68 Fact Sheet)

コア速度のアプリケーション対応(置換えからIoT市場開拓へ)

32ビットCortex-M0/M0+コア本来の目的は、既存8/16ビットMCUの置換えです。従ってこれまでは、既存MCU(例えばルネサスS1/S2/S3コア)速度と同等の30~50MHzがCortex-M0/M0+コア動作速度でした。しかし、NXPはより低速で低消費電力な8MHzや15MHzのコア速度の新製品を発表しました。

関連投稿:8MHz Cortex-M0+コア採用のLPC8N04

関連投稿:15MHz Cortex-M0+コア採用のLPC80x

つまり、既存MCU置換えだけでなく、よりアプリケーションに適したコア速度採用のARMコア製品の一環として開発されたのが紹介した100MHz動作のLPC51U68です。

ARMコア製品は、8/16ビット置換えから、IoTアプリケーション市場開拓への展開も始めたと言えるでしょう。

IoT向きの周辺回路実装(汎用からIoTアプリケーションMCUへ)

従来MCUもUSB接続でプログラムダウンロードやデバッグはできます。これらに加えLPC51U68のUSBは、USB 2.0ホスト機能もライブラリで提供します。PC同様、USBキーボードやデータロガー用に簡単に大容量USBメモリがMCUに接続できるので、HMI(Human Machine Interface)に優れたIoTデバイスが開発できます。

ADCもE-meterなどにも使いやすいような高機能版が用いられています。

ROM/RAM容量が増えるのは、これらIoT向け周辺回路を制御・活用するために必要で、副次的なものと言えるでしょう。

評価ボードLPCXpresso51U68 (OM40005) Development Board価格も¥3,518(DigiKey調べ)であることから、これだけ機能が増えても、従来ARMコア製品と同レベルで入手できると思われます。

LPCXpresso51U68 (OM40005) Development Board
LPCXpresso51U68 (OM40005) Development Board

最新ARM Cortex-Mマイコン動向まとめ

NXP)LPC51U68だけでなく、競合他社Cortex-M0/M0+/M3新製品についても同様の傾向が見られます。最新Cortex-Mマイコンの動向をまとめたのが下記です。

  1. IoTアプリケーションのためコア動作速度を数MHz~100MHz超の範囲で電力消費最適化
  2. USBホスト機能や高機能アナログなど、IoTアプリケーション対応高機能周辺回路を実装

一方、前稿Non ARMコア製品のルネサスMCU動向をまとめると、

  1. 低消費電力16ビットS1/S2/S3コアの使い分けで、きめ細かな電力消費へ対応
  2. アナログ機能やモータ制御機能を追加実装し、IoTアプリケーションMCUへ展開

どちらも、無線通信やセキュリティの要求が高いIoT MCUに対して、従来の汎用MCU製品のままでは対応しにくく、より具体的なIoTアプリケーションへ向けた機能拡張を行い、セミASSP的なIoT MCU製品となっています。
※セミASSP:汎用MCUをベースに、特定アプリケーション向けに調整したMCU。汎用MCU開発に慣れた開発者が、特定アプリ開発に臨む時、ASSPに比べ馴染みやすく開発障壁が低い。

ARMコア製品が柔軟性や拡張性に富み、一方で、Non ARMコア製品のルネサスもIoT向きに汎用MCUを調整しています。いずれにしても汎用MCUは、よりアプリケーション向きのMCUへ変化しつつあります。

IoT MCUを特徴付ける3要素

IoT MCUは、以下3要素から構成されると考えると理解が容易になります。

  1. IoTアプリケーション対応高機能周辺回路
  2. MCUコア
  3. 汎用周辺回路:タイマー、GPIO、UART、I2C、一般的ADC

先ず、どのようなアプリケーションにMCUを使うかで「IoTアプリケーション対応周辺回路」が実装されます。例えば、USBホスト機能が必要なアプリであれば、NXP)LPC51U68などです。

次に、そのアプリケーション周辺回路制御に十分な動作周波数や性能をもつ「MCUコア」が決まります。

最後に、「汎用周辺回路:タイマーやGPIO、UART、I2C回路」の実装数がアプリケーションに対して十分か調べます。

IoT MCUの3要素
IoT MCUの3要素。NXP)LPC51U68の分解例と開発方法。

多くのアプリケーションに広く対応できる汎用MCUの汎用周辺回路のみで開発できるアプリケーションであれば、実績が多い汎用MCUを選び、IoTに必要となる無線やセキュリティ機能を外付け部品で構成すると良いと思います。

より具体的なIoTアプリケーションに対応する場合は、IoTアプリケーション対応周辺回路を持つ各社の新製品MCU(セミASSP MCU)を選び、開発するのが良いと思います。

「IoTアプリケーション対応高機能周辺回路」とは、文字通りアプリに応じた開発や応用、最適化が必要です。各社はこのIoTアプリケーション対応周辺回路に対して、ライブラリやアプリケーションノートを提供しますので、開発はそれらを応用、流用するとリスクが低くなります。

一方、「MCUコア」と「汎用周辺回路:タイマーやGPIO、UART、I2C回路、一般的なADC」は、既存の開発ソフトウェアやハードウェアがほとんどそのまま使える可能性が高い部分です。

IoT MCUを早期開発するには、この既存ソフトウェアやハードウェアを流用し、より多くの時間をIoTアプリケーション開発へ配分する方法が適します。弊社マイコンテンプレートは、この汎用開発部分に役立ちます。ご活用ください。

マイコンテンプレート活用プロトタイピング開発(4)

マイコンテンプレートへ機能を追加するには、既に枠組みが出来上がっているテンプレートへ、追加機能名のファイルを新規作成し、追加機能をこのファイル内で記述、テンプレートのLauncher()で起動すれば完成です。長文であった第3回を、一口で言えばこうなります(トホホ… Orz)。

Basic Form of Embedded Software (Initial Setting and Repetitive)
無限ループ前に1回実行する初期設定処理と、無限ループ内の繰返し処理の2つから構成される「組込みソフトの基本形」

これは、Arduino IDEの新規作成ファイル画面です。このsetup()とloop()の構造は、Arduinoに限らず全ての「組込みソフトの基本形」です。つまり、無限ループ前に1回実行する「初期設定処理」と、無限ループ内の「繰返し処理」の2つから構成されます。

弊社マイコンテンプレートもこの基本形に則っています。但し、機能追加がし易いように、無限ループがLauncher()に変形し、複数のユーザ関数を起動できるように工夫しているだけです。

従って、最も安直(!?)な機能追加の方法は、追加機能のサンプルソフトを見つけることです。あとはテンプレートのLauncher()でこのサンプルソフトを起動すれば、テンプレートへ機能追加ができるのです。

今回の目標は、テンプレートへのSDカード機能の追加です。そこで、このSDカード機能追加に最適と思うサンプルソフト:Developing Applications on STM32Cube with FatFs:UM1721を解説します。

UM1721: Developing Applications on STM32Cube with FatFs

2014年6月版 UM1721では、STM32Cubeと記述されていますが、これはSTM32CubeMX(以下CubeMX)のことです。また、STM32F4xxとSTM32CubeF4で記述されていますが、全てのSTM32デバイスとCubeMXに置換えて読めば使えます。

FatFsは、ユーザアプリケーションと下層HAL(Hardware Abstraction Layer)の間で機能するミドルウェアで、主目的は、開発するアプリケーションが読書きするデータと、物理ストレージファイルの割付(領域管理)です。パソコンなどでは、本来WindowsなどのOSが行う機能を代行するのがFatFsと考えれば良いでしょう。また、FatFs自体はMCUハードウェアには依存しないので、本稿STマイクロエレクトロニクス以外のマイコンでも使えます。

FatFs Middleware module architecture (Source:UM1721)
FatFs Middleware module architecture (Source:UM1721)

もっと知りたい方は、UM1721の2章までに詳しく記述されています。本投稿は、FatFsを使うサンプルソフトが目的ですので読み進めると、3.3のサンプルソースが見つかります。

FatFsサンプルソフト

FatFs Sample Software (Source:UM1721)
FatFs Sample Software (Source:UM1721)

懇切丁寧なサンプルソフトとは言えませんが、必要最低限で記述しているのでしょう。一見、組込みソフトの基本形と違うと思われるかもしれませんが、初期設定処理はCubeMXが自動生成し、別の場所にソースコードを出力するため(おそらく)省略しています。また、ファイルアクセスは低速なので、繰返し回数を1で処理すると考えれば、このサンプルソフトも基本形に則っています。

サンプルソフトから、FatFsを使うAPI(Application Programming Interface)が5種、FatFsとLow Level Disk I/O Driversをリンクする2種のAPIを使えば、SDカードへの読書きができることが解ります。
※書込み:f_write()を、f_read()に置換えれば読込みができます。

FatFsサンプルソフトで使用するAPI
用途 API
FatFsとアプリケーション間

f_mount()

f_open()

f_close()

f_read()

f_write()

FatFsとLow Level Disk I/O Driversリンク間

FATFS_LinkDriver()

FATFS_UnLinkDriver()

FatFsサンプルソフトAPI動作テスト

このサンプルソフトを、第3回で使用したレファレンスプロジェクトへ挿入し、各APIの動作を確認します。

FatFs Sample API Test Source
レファレンスプロジェクトへ挿入したFatFsサンプルソフト。

結果は、FatFsとアプリケーション間5種全てのAPIで正常動作が確認できました。つまり、レファレンスプロジェクトでは、このサンプルソフトを使いSDカードへの読書きができます。その結果、SDカードへwtext[] = “text to write logical disk”のデータを、ファイル名STM32.txtとして保存できました。

FatFs Write Test to SD Card
FatFsサンプルソフトを使い、SDカードへ書込んだファイルSTM32.txtと書込みデータ。

レファレンスプロジェクトは、Low Level Disk I/O Driversリンク側のAPI相当を、エキスパートが自作しているのでコメントアウトしています。

STM32CubeMXでFatFs機能追加

第3回と同様、シンプルテンプレートをRenameし、機能追加用のSPI1FatFs_Sdプロジェクトを作成し、CubeMXでSPI1とFatFs機能を追加します。また、SdCard.cファイルを作成し、この中に前章で動作確認したサンプルソフトを挿入します(プロジェクトやファイル作成の詳細は、第3回を参照)。

FATFS and SPI1 Functions Add by STM32CubeMX
STM32CubeMXでFATFSとSPI1を追加。SPI1のピン割付は、実装シールド基板に合わせている。

Launcher()からサンプルソフトを起動し、1回のみ処理するように変更を加え、レファレンスプロジェクトと同様各APIのリターン値を確認しましたが、f_open()以降で正常動作しません。

初期設定処理を自動生成するCubeMXのFatFs設定に間違いが無ければ、SPI1FatFs_SdプロジェクトでもユーザデータをSDカードへ読書きできるハズです。UM1721には、FatFsの設定記述がないので、CubeMXのFatFsデフォルト設定にしましたが、お手上げです。

そこで、STM Communityを検索すると、例えばコチラのように現在のCubeMXのFatFsにはバグがあるようです。対策もCommunityにありますが、STMもバグ状況を把握していますのでCubeMXの改版を待つ方が良さそうです。

*  *  *

サンプルソフト自体は、レファレンスプロジェクトで動作確認済みです。CubeMXのFatFs初期設定生成に問題があることは間違いありません。つまり、組込みソフト基本形の初期設定以外の半分(50%)の処理をUM1721から獲得できたと言えます。

Tips: 動作サンプルソフトは、FatFsがMCUハードウェアに依存しないので、他社マイコンでも使えます。獲得した50%処理は、適用範囲が広いものです。

対策としては、STMによるCubeMX改版を待つこと、レファレンスプロジェクトからFatFs関連の初期設定を抜き出すこと、の2つあります。後者については、検討中です。

NFCを使うLPC8N04のOTA

5/31~6/21の4回に渡り行われたNXPセミコンダクターズ LPC80x WebinarでLPC80xシリーズ概要が解ります(8/16ビットMCUの置換えを狙う32ビットARM Cortex-M0+コア採用のLPC80xシリーズ特徴や商品戦略が解るWebinarスライドは、リンク先からダウンロード可能)。

LPC8xx Family History (Source:Webinar Slides)
LPC8xxは、LPC81x/LPC82xから、2017年高集積LPC84x、2018年価格高効率LPC80xへ展開(出典:Webinar Slides)

LPC8xxファミリは、2016年発売のLPC81x/LPC82xをベースに、2017年にLPC84xで高集積大容量化、2018年はLPC80xで価格効率を上げる方向に発展中です。

関連投稿:LPC80xの価格効率化の方法

ベースとなったLPC810、LPC812、LPC824に対して弊社は、LPC8xxテンプレートを提供中です。このテンプレートは、発展したLPC84xやLPC80xへも適用できると思います。

*  *  *

さて、本投稿は、今後IoT MCUの必須機能となる可能性が高いOTA(Over The Air)について、LPC8N04スライドにその説明がありましたので、速報としてまとめます。

NFCを使うLPC8N04のOTA更新

LPC8N04 は、近距離無線通信(NFC)機能を搭載し15MHz動作のLPC802/LPC804よりもコア速度をさらに8MHzへ下げ、NFCアプリケーション開発に適したMCUです。スマホとNFCで連動する温度センサーロガーの動作例がNXPサイトの動画で見られます。

関連投稿:LPC8N04の特徴

無線ペアリングが簡単にできるNFC搭載MCUは、家電や産業機器の故障診断、パラメタ設定などの分野へ急成長しています。Webinarスライドでは、このNFCを使った電力供給やMCUファームウェア更新方法(OTAテクニカルノート:TN00040)も紹介されています。

IoT MCUには、製品化後にも無線更新できるセキュリティ対策は必須です。OTAはこの実現手段の1つで、具体的にどうすればOTAができるのかがTN00040に簡単ですが記載されています。

前提条件として、LPC8N04のブートROMバージョンが0.14以上であること、OTA実行中は電池かUSBでの電力供給などが必要です。Androidを使ったNFC OTA動作例が下図です。

LPC8N04 FW Update Over NFC (Source:TN00040)
LPC8N04のNFCを使ったOTA更新(出典:TN00040)

更新には、LPC8N04のSBL(Secondary Boot Loader)を使い、通信は暗号化されていますので、OTA中のセキュリティも万全です。OTA用のアプリケーション開発には、通常開発にリビジョン番号(図の1.0.0、1.1.0)付与が必須など様々な制約(オーバーヘッド)があります。

OSを使わないアプリケーション開発の場合、開発者自らがこれらOTAオーバーヘッドの追加が必要になるなど煩雑ですが、決まり文句として納得するか、または、IoT MCU用RTOSとして期待されるAmazon FreeRTOS提供のOTAなどを利用するしかなさそうです。

関連投稿:Amazon、IoTマイコンへFreeRTOS提供

今回はLPC8N04のNFCによるOTAを示しました。IoT無線通信がどの方式になっても、おそらく今回のような方法になると思います。SBL利用や暗号化、更新NG時の対処など留意事項が多く、現場へ行ってIDEで再プログラミングする従来方法よりも洗練されている分、リスクも高くなりそうです。

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。

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。

NFC機能搭載マイコンLPC8N04、LPC800シリーズに追加

近距離無線通信(NFC)機能搭載のLPC8N04がLPC800シリーズに追加されました。
スマホで測定温度を表示するデモソフト付きのLPC8N04評価ボード:OM40002がNXPから直接購入可能(2304円)です。

LPC8xxシリーズラインナップとLPC8N04評価ボード

LPC8xxシリーズ
LPC8N04が追加されたLPC8xxシリーズMCU。コア速度の8MHz低速化、EEPROM、NFC/RFID、温度センサ搭載などの特徴がある。(出典:LPC800 Series MCUs)
LPC8N04評価ボード
LPC8N04評価ボード。Component Sideにコイン電池ホルダーがある。Top Sideは5×7 LED Arrayを搭載し動作表示。(出典:UM11082)

LPC8N04マイコンの特徴

  • 4電⼒モード(sleep、deep sleep、deep power-down、battery off)のARM 8MHz Cortex-M0+コア
  • 32KB Flash、8KB SRAM、4KB EEPROMを統合
  • 広範囲なタギング/プロビジョニング・アプリケーションをサポートするエナジーハーベスト機能付きNFC/RFID ISO 14443 Type A通信
  • 精度±1.5℃の温度センサを統合
  • 2個のシリアル・インターフェースと12個のGPIO
  • 1.72V〜3.6Vの動作電圧範囲と-40℃〜+85℃の周囲温度範囲
  • 低コスト、⼩フットプリントのQFN24パッケージ
LPC8N04ブロック図
LPC8N04のブロック図。従来LPC8xxシリーズと異なり、8MHz動作コア、NFC機能とEEPROM搭載などが特徴。(出典:Product data sheet)

スマホと連動した評価ボードの動作動画はコチラ

個人的には、従来の汎用LPC8xxシリーズとは異なり、NFCアプリケーション特化マイコンのような気がします。Cortex-M0+コア8MHzによる超低消費電力動作、EEPROM、NFC/RFIDなどがその理由です。面白いアプリケーションが期待できそうです。

マイコン評価ボード2018

マイコン装置を開発する時、ベンダ提供のマイコン評価ボードは重要です。良いハードウェア、良いソフトウェアは、評価ボードをレファンレンスとして活用した結果生まれるからです。

今回は、ARMコア対Non ARMコアという視点で最新マイコン評価ボードを分析します。掲載マイコン評価ボードは下記です(価格は、調査時点の参考値)。

デバッガの2機能

ベンダ評価ボードには、デバッガ付属とデバッガ無しの2タイプがあります。デバッガは、

  1. デバッグ機能:ソースコードのダウンロード、ソースコード実行とブレークを行う
  2. トレース機能:プログラムカウンタ実行履歴を記録する

の2機能を提供します。

トレース機能は、プログラムカウンタ遷移を記録し、ハード/ソフトの微妙なタイミングで発生するバグ取りなどに威力を発揮します。が、本ブログで扱うマイコンでは利用頻度が低く、サポートされない場合もありますので、デバッグ機能に絞って話を進めます。

各社が独自コアマイコンを供給していた頃は、各社各様のデバッガが必要でした。しかし現在は、ARMコアマイコンとNon ARMコアマイコンの2つに大別できます。

ARMコアマイコンの評価ボード

ARMコア評価ボードは、ARM CMSIS規定のSWD:Serial Wire Debugというデバッグインタフェースでコアに接続します。SWDを使うと、他社ARMコアとも接続できます。このため、評価ボードのデバッガ部分と対象マイコンを切り離し、デバッガ単独でも使えるように工夫したものもあります。

ARMコア評価ボードの多くは、対象マイコンにSWDインターフェイスのデバッガが付属しています。これは、対象マイコンが変わってもデバッガは全く同じものが使えるので、量産効果の結果、デバッガ付き評価ボードでも比較的安価に提供できるからです。

CY8CKIT-146
SWDデバッガ付属評価ボードCY8CKIT-146 (出典:CY8CKIT-146 PSoC® 4200DS Prototyping Kit Guide)

また、統合開発環境:IDEもEclipseベースを採用すれば、実行やブレークのデバッガ操作方法も同じになり、例え異なるベンダのARMコアでも同じようにデバッグできるので開発者にも好評です。

以上が、マイコンのデファクトスタンダードとなったARMコアとEclipseベースIDEを多くのベンダが採用する理由の1つです。

Non ARMコアマイコンの評価ボード

一方、Non ARMコアマイコン評価ボードは、本来コア毎に異なるデバッガが必要です。そこで、評価ボードには対象マイコンのみを実装し、その購入価格は安くして、別途デバッガを用意する方法が多数派です。

機能的には同じでもコア毎に異なるデバッガは、サポートするコアによりデバッガ価格が様々です。例えば、ルネサスのE1デバッガは、RL78、RX、RH850、V850の4コアカバーで12600円ですが、RL78とRXコアのサポートに限定したE2 Liteデバッガなら、7980円で購入できます(2018年3月の秋月電子価格)。

RL78/G11評価ボードとE1
RL78/G11評価ボードとE1

ルネサスもE1/E2 Liteデバッガ付きのRX用低価格評価ボード2980円を2018年3月に発表しました(マルツエレック価格)。

E1、E2 Liteデバッガ付きRX評価ボード
E1、E2 Liteデバッガ付きRX評価ボード (出典:Runesasサイト)

※RX評価ボードは、無償CコンパイラROM容量制限(≦128KB)に注意が必要です。入手性は良いので容量制限を撤廃してほしいです。

個人でマイコン開発環境を整える時は、購入価格は重要な要素です。マイコンがARMコアかNon ARMコアか、デバッガ搭載かなどにより、評価ボード価格がこのように異なります。

標準インターフェイスを持つマイコン評価ボードの狙い:プロトタイピング開発

最近の傾向として評価ボードの機能拡張に、Arduinoコネクタのシールド基板を利用するものが多くなりました。様々な機能のシールド基板とその専用ライブラリが、安く入手できることが背景にあります。

ARMコア、Arduinoコネクタ、EclipseベースIDEなどの標準的インターフェイスを持つマイコン評価ボードの狙いは、色々なマイコン装置の開発を、低価格で早期に着手することです。既存で低価格なハード/ソフト資産の入手性が良いのが後押しします。

中心となるマイコン評価ボードへ、機能に応じたシールド基板を実装し、早期にデバッグしてプロトタイピング開発し製品化が目指せます。

CY8CKIT-046
Arduinoコネクタを2個持つCY8CKIT-046、緑線がArduinoコネクタ (出典:CY8CKIT-046 Qiuck Start Guide)

ルネサスもEclipseベースのIDE:e2Studioを提供中ですが、これは世界中のEclipse IDEに慣れた開発者が、ルネサスマイコンを開発する時に違和感を少なくするのが主な狙いだと思います。Non ARMルネサスマイコン開発の不利な点を、少しでも補う方策だと推測します。

関連する過去のマイコン評価ボード投稿

あとがき

ルネサス最新汎用マイコンRL78/G11は気になります。従来のRL78/G1xに比べアナログ機能を大幅に強化し、ローパワーと4μsの高速ウェイクアップを実現しています(詳細情報は、コチラ)。開発資料の多くがe2Studioで、CS+ではありません。Non ARMコアなので他社ARM比、特に優れたマイコンの可能性もあります。

 

汎用マイコンかアプリケーション特化マイコンか

大別するとマイコン:MCUには、汎用マイコンとアプリケーション特化マイコンの2種類があります。

弊社は、下記理由から汎用マイコン:General Purpose MCUを主として扱います。

  1. 対象ユーザとマイコンが多い
  2. 低価格で入手性の良い評価ボードが多い → オリジナルハードウェア開発にも役立つ
  3. 無償開発環境:IDEでもマイコンソフトウェア開発ができる
  4. 応用範囲が広い汎用マイコン開発の方が、顧客、開発者双方にとって有益である

汎用マイコンとは何か?に対しては、マイコンベンダ各社サイトのGeneral PurposeのMCUを指します。一方、アプリケーション特化マイコンとは、モータ制御、ワイヤレス制御、5V耐性などが代表的です。

かつては5Vマイコンが普通でしたが、現在は3.3V動作以下です。その結果、5V耐性がアプリケーション特化マイコンにカテゴライズされました。このように、時代や多数派に合わせて汎用の定義は変わります。高度なセキュリティや無線通信が必須のIoTマイコンも、いずれこの汎用マイコンにカテゴライズされると思います。

本投稿は、4番目の理由の追風となる記事を見つけたので紹介します。

汎用マイコンの動向記事

  1. “G”と”L”で考える発展途上の産業エレクトロニクス市場、2018年3月13日、EE Times Japan
  2. 産業FAは「汎用」「多数」の時代に、国産マイコンが変化を支える、2018年2月5日、TechFactory

最初の記事の”G”は、Global、”L”は、Localを意味します。マイコンベンダも、マイコンを使うユーザも、どのマイコンを使うかは暗中模索で混迷しているが、いずれはLocalからGlobalへ移行すると筆者は考察しています。

2の記事は、産業用FAが専用、少量装置から、AI:人工知能を利用した汎用、多数装置の時代に入ったと分析し、ルネサスRZ/AシリーズにAI機能を組込んでこの時代変化に対応すると宣言しています(関連投稿のSTMはコチラ、ルネサスはコチラを参照)。

どちらの記事も、アプリケーション特化マイコンより汎用マイコンの方が、より多く利用されると予想しています。マイコンベンダにとっても、汎用品で大量生産ができ供給コストも下げられます。

お勧めはプロトタイピング開発

FPGAにソフトウェアIPを組込み、より柔軟制御を目指したことや、高分解能ADCマイコンで精密測定などの開発も行いましたが、技術的に得るものは多くても開発時間が予定より長くなり、結局収支は赤字だった経験があります。

パソコンCPUと同様、汎用マイコン処理能力やセンサ能力も半導体製造技術とともに年々向上します。特に処理能力が必要なIoTマイコンは、コア動作速度を上げる、ディアルコアを採用するなど、ここ数年で急激に向上しています(PSoC6は、Cortex-M0+ 100MH動作、Cortex-M4 150MHz動作)。

弊社も今後の組込開発は、汎用マイコンを使い、より早く低コストで装置化する方が、顧客、開発側双方にとって有益だと考えます。開発期間が長いと、その間により高性能マイコンが発売されたりするからです。つまり、プロトタイピング開発をお勧めします。

プロトタイピング開発した装置が仮に能力不足であった場合は、その不足部分のみに改良を加える方がリスクも低く、確実に目的を達成できます。プロトタイピングの意味は、この能力不足部分を明確にし、低コスト低リスクで成功への道筋を探すことも含まれています。

汎用マイコンテンプレート

開発の立ち上げを早くすることがプロトタイプ開発の第1歩です。弊社マイコンテンプレートは、

  • 汎用マイコンの評価ボード上で動作確認済み
  • 複数サンプルソフトウェアをそのまま使った時分割の並列処理可能
  • 開発のつまずきを防ぐ豊富なTips満載のテンプレート説明資料添付

などの特徴があります。汎用マイコンテンプレートを活用し、効率的なプロトタイピング開発ができます。

NXPのMCUラインナップ2018春

旧Freescaleの「Kinetisマイコン」と、元NXPの「LPCマイコン」の2つが統合した新生NXPのARMコアMCUラインナップは、2018年3月現在、KinetisとLPCの2つに別れてサイトに掲載中です。

NXP ARMCortex-M MCUs Site
NXP ARMCortex-M MCUs Site

従来ユーザには、この方が使いやすいと思います。しかし、同じCortex-Mコアでも2種類あり、困惑するユーザもいるのではと思っていました。そんな時、”Kinteis”と”LPC”を統合したNXPのCortex-Mコア資料を見つけたので示します。

その資料は、BRKINLPCPWRMCU REV 1(Oct. 2017)REV 0(Oct. 2016)です。資料から「Kinetisマイコン」と「LPCマイコン」を横断的に概観します。

NXP Cortex-MコアMCUシリーズ構成

BRKINLPCPWRMCU REV1 (Oct. 2017)のP8とP9をブログ掲載用に縦長に加工、加筆したのが下図です。

MCU Solutions for Every Design (Source: 2017)
MCU Solutions for Every Design (Source: 2017)

Kinetisは、V/K/E/L/EAの5シリーズ、LPCは、800/1100/54000の3シリーズから構成されています。各シリーズの特徴(オレンジ字)と概要(黒字)、それらを示すアイコンが解り易く記載されています。

KinetisとLPCの用途別構成

BRKINLPCPWRMCU REV0 (Oct. 2016)のP4、汎用/アプリケーション向けなど用途によるKinetisとLPCの分類が下図です。

Kinetis and LPC MCUs Offer a Range of Options (Source: 2016)
Kinetis and LPC MCUs Offer a Range of Options (Source: 2016)

2016年資料の方が、Kinetis、LPCともに、2017年資料より細かなMCUシリーズが解ります。

2017年と2016年資料比較

2016年資料はKinetisとLPCマイコンの両方が同居する分野もあり、整理統合するのでは?との疑念をユーザに抱かせます。例えば、General PurposeでCost-Effective and Small Form Factor分野には、LPC81x/82xとKinetis KL02/03/05の両方があります。同じ用途に、ほぼ同じ3種類のMCUを供給するのは新生NXPにとって非効率のハズです。

この疑念を抱かないように改版したのが、2017年資料かもしれません。但し、2017年でもLPC1500/1700/4000シリーズや一部のKinetisシリーズが掲載されていないのが気になります。効率化の第一歩かもしれません。

なぜアメリカ政府はBroadcomのQualcomm買収を阻⽌したのか︖”というGIGAZINE記事を読むと、理由は仮にBroadcomがQualcomを買収した場合、Broadcom負債の返済のため、短期的な収益性を重視し5Gや6Gなどの次世代通信規格の開発競争でQualcommが果たすべき長期的な研究開発を切り捨てる可能性があるためだそうです。

買収を免れたQualcomによるNXP買収が完了すれば、この非効率な同居マイコン部分にメスが入るかもしれません。STMicroelectronicsは、STM32マイコンに対して2018年から10年間の供給を保証しています。NXPも同様のマイコン製品longevity:寿命アナウンスが欲しいです。

IoTマイコンとセキュリティ

NXPは、2018年3月2日Bluetooth 5/Thread/Zigbee 3.0サポートのコンシューマ/産業IoT向けセキュリティ強化ARMディアルコア(M4とM0+)搭載のKinetis K32W0x MCUを発表しました。

Kinetis K32W0x Block Diagram
Kinetis K32W0x Block Diagram

この新製品は、以前投稿したCypressのPSoC 6:Cortex-M4とCortex-M0+のディアルコア、セキュリティ強化、BLE 5サポートのCypress PSoC 6によく似た製品です。

Cypressに続きNXPもARMディアルコアを採用したことで、強固なセキュリティが必須のIoTマイコンは、シングルコアよりもディアルコア搭載が標準になりそうです。IoTマイコンのセキュリティ関連情報を調査し対処方法を検討します。

PSoC Creator 4.2

PSoC 6搭載評価ボードCY8CKIT-062-BLEPSoC Creator動画では、デュアルコアのIDEでの扱い方やデバッグ方法などがいまいち不明でしたが、最新版PSoC Creator 4.2(2018年2月13日)で正式にPSoC 6がサポートされました。コアにより別々のフォルダにソースコードを作成し、デバッガはどちらかの一方のコアに接続します。

Cypress PSoC Creator 4.2 for PSoC 6 (Source, Creator Release Notes)
Cypress PSoC Creator 4.2 for PSoC 6 (Source, Creator Release Notes)

各コアの役割や機能配分が明確でないと、シングルコアよりもデバッグが大変になりそうです。

色々なセキュリティ強化方法

今年初めから騒がれた投機実行機能の脆弱性起因の対策は、まだ収束していません。Cortex-M系コアはこの脆弱性に関してはセーフでしたが、後追いが宿命のセキュリティ対策には終わりがありません。組込みマイコンにも、常時アップデートができるOTA:Over The Air更新機能が必須になるかもしれません。

Windows更新でも失敗があることを考えると、このOTA機能はリスクが高く、マイコン処理能力や導入コストもかなり必要です。

一方Maximは、セキュア認証専用ICを1ドル未満で提供することを発表しました。言わばMCU固有の指紋を使うことで安価にセキュリティ強化が可能です。評価キットも用意されています。

NXPもA71CHで同様のICと開発キットを用意しています。

少し古い資料ですが2012年11月発表の、“つながる時代のセキュリティ、チップと組み込みOSの連携で守る”を読むと、セキュアブート、効率的な暗号化、仮想化を使ったデータ保護サブシステムをセキュアに分離する技術など、半導体チップで提供されるセキュリティ機能を最大限に活用すべきだとの指針が示されています。

MCUセキュリティ対策の費用対効果

2年から数年でハードウェアが更新される個人情報満載のスマホやユーザ自身がセキュリティ対策を行うパソコンと、組込みマイコン:MCUのセキュリティ対策は、守るべき情報内容、管理運営方法が大きく異なります。

IoTマイコンのソフトウェアやハードウェア開発能力だけでなく、導入するセキュリティ対策の費用対効果を見極めるスキルも必要になりそうです。本命がハッカー次第で変わるなど、セキュリティは厄介で面倒な技術です。