MCUパラメタ設定を改善したSTM32CubeMX version 5

2018年12月STマイクロエレクトロニクス(以下STM)のMCUコード生成ツール:STM32CubeMXがversion 5にメジャー更新しました。本稿は、このSTM32CubeMX version 5について主に旧version 4をご利用中の方を対象に説明します。初めてSTM32CubeMXを利用される方は、インストール方法などは旧version 4で示したコチラの関連投稿と同じですのでご覧ください。

STM32CubeMX version 5への更新方法

STM32CubeMXは、スタンドアロンアプリケーションとして動作させる場合と、Eclipse IDEのプラグインとして動作させる場合があります。更新が簡単なのは、先に説明するスタンドアロン版です。Eclipse IDEは、SW4STM32を例にプラグイン更新方法を示します。

スタンドアロン版STM32CubeMXの更新方法

デフォルト設定を変えてなければ、STM32CubeMX起動時に自動的に更新を検出しInstall Nowクリックで最新版がダウンロードされます。ダウンロード後、一旦STM32CubeMXを終了し、再起動でversion 5への更新が始まります。

STM32CubeMX version 5への更新(スタンドアロン版)
STM32CubeMX version 5への更新(スタンドアロン版)

スタンドアロンの場合は、更新開始時Access Errorが表示されることもあります。この時は、「管理者として実行」で更新プロセスが始まり、STM32CubeMX version 5の初期画面になります。

STM32CubeMX version 5初期画面
STM32CubeMX version 5初期画面

Eclipse IDE(SW4STM32)プラグイン版STM32CubeMXの更新方法

Eclipse IDEのプラグインでSTM32CubeMX機能を追加した場合は、旧プラグインを削除した後にversion 5プラグインをインストールします。SW4STM32のプラグイン削除は、Help>About EclipseからInstallation Detailsボタンをクリックし、Installed Softwareタブから旧STM32CubeMXを選択、Uninstallまたは、Updateクリックで行います。

旧版STM32CubeMXプラグイン削除
旧版STM32CubeMXプラグイン削除

Uninstallの方が確実です。削除後、新しいSTM32CubeMX version 5プラグインを再インストールすれば、スタンドアロンと同じ初期画面が示されます。SW4STM32のUpdate checkでは、STM32CubeMXの更新を検出できませんので、手動でプラグイン削除、更新された新プラグインのインストールが必要です。

STM32CubeMX version 5改善点

version 5のユーザマニュアルUM1718 Rev 27から、以下の点がversion 4から改善されました。
関連投稿:MCU更新情報取得方法と差分検出ツール、の “2PDF資料を比較するDiffPDF” の章参照

・MCUパラメタ設定にマルチパネルGUI採用(UM1718、5章)
・CMSIS-Packサポート(UM1718、7章)
・X-Cube-BLE1ソフトウェアパック(UM1718、14章)
・ST-TouchGFX追加(UM1718、17章)

一言で言うと、5章:カラフルになったパラメタ設定、7章:CMSIS-Pack追加が可能、14章と17章:2チュートリアル追加です。CMSIS-Packとチュートリアルは、必要に応じて理解すれば良いでしょう。

そこで、基本操作の5章STM32CubeMX version 5のパラメタ設定を、弊社STM32F0シンプルテンプレートで用いたSTM32CubeMX version 4プロジェクトファイルを使って説明します。
※STM32F0シンプルテンプレート(¥1,000販売中)をご購入頂いてない方のために、上記プロジェクトファイルのみをコチラから無料でダウンロードできます(zipファイルですので解凍してご利用ください)。

マルチパネルGUIによるMCUパラメタ設定改善の実例

Open Existing Projectsで上記STM32F0シンプルテンプレートプロジェクトファイル:F0SimpleTemplate.iocを選択すると、旧versionで作成されていること、FWも更新されていて、最新環境へ更新(Migrate)するか、FWはそのままSTM32CubeMXのみ更新(Continue)かの選択肢が表示されます。
※MigrateとContinueの差は後述します。

旧版プロジェクトファイルを開いた時のメッセージ
旧版プロジェクトファイルを開いた時のメッセージ

今回は、Migrateを選択すると、見慣れたPinout & Configuration画面が現れます。

STM32F0シンプルテンプレートのプロジェクトを開いた画面
STM32F0シンプルテンプレートのプロジェクトをversion 5で開いた画面

Connectivity >を開くと、STM32F0シンプルテンプレートで使用中USART2の各種パラメタ設定値がマルチパネルで表示されます。

STM32F0シンプルテンプレートプロジェクトのUSART2マルチパネル画面
STM32F0シンプルテンプレートプロジェクトのUSART2マルチパネル画面

このマルチパネル表示がversion 5で最も改善された機能です。従来版では、複数タブで分離表示されていた設定が、1画面のユーザインタフェース:UIに集約されました。より解りやすく、より簡単にMCUパラメタ設定ができます。

その他の機能は、カラフルな見た目になってはいますが、旧versionと殆ど同じと考えて良いと思います(開発元には失礼ですが…😅)。不明な点は、HelpでUM1718が直に表示されるので調べられます。

また、販売中の弊社STM32Fxテンプレート付属説明資料のSTM32CubeMXは、version 4で説明しておりますが、この程度の改版ならば、説明資料をversion 5用に作り直さなくても、ご購入者様に内容をご理解頂けると思います。

旧版プロジェクトファイルを開いた時のMigrateとContinueの差

STM32CubeMXは、UIをつかさどる共通部分と、STM32MCUファミリ毎の個別ファームウエア:FW部分の2つから構成されています。本稿は、UI共通部分の更新を説明しました。FWもバグとりや、ファミリへの新MCU追加などで更新されます。周辺回路の初期化CコードやHAL:Hardware Abstraction Layer library 、LL: Low-Layer library利用のAPI生成は、FW部分が担います。

Migrateは、このUIとFWを同時に最新版へ更新します。一方、Continueは、UI部分のみ更新しFWは既存のままです(安全側更新とも言えます)。FW更新で既製ソフトウェアへ悪影響がでる場合には、Continueを選択することもあるでしょう。しかし、基本的にはUI、FWともに最新版へ更新するMigrateが本来の更新方法です。

万一FW更新でトラブルが発生した時は、デフォルトでSTM32Cube>Repositoryフォルダに新旧FWがzipファイルで保存されていますので、FWのみ元に戻すことも容易です。

*  *  *

Postscript:24日午前3時~午前4時5分に実施されたSTM32G0 and STM32CubeMX 5.0ウェブナーどうでしたか? 解りやすいスライドが豊富で、STM32G0の良さがより理解できました。全機能無償のKeil uVision5対象デバイスにSTM32L0、STM32F0とSTM32G0も加わりました。STM32CubeMX 5.0と評価ボードNUCLEO-G071RBを使ったLチカコード生成も解りやすかったですね😃。
※タイムリーなことに、1月25日STM公式ブログ上で上記一連の処理がYouTubeに投稿されました。

さて、ウェブナー参加で目から鱗が落ちたのは、STM32G0の広い応用範囲と低電力動作を活かすには、デバイス間移植に優れるHAL APIよりも、デバイス最適化のLL API利用が適してかもしれない点です。
HAL利用のSTM32Fxテンプレートとは異なるアプローチ、例えば、STM32Gxテンプレートの新開発が必要になりそうです👍。

関連投稿:HALとLLの違いは、STM32CubeMXの使い方、“STM32CubeMXの2種ドライバライブラリ”の章参照
関連投稿:STM32Fxテンプレートのアプローチは、STM32評価ボードNUCLEO-F072RB選定理由参照

STM32G0とSTM32CubeMX 5.0ウェビナーのお知らせ

STM32G0とSTM32CubeMX 5.0ウェビナー
STM32G0とSTM32CubeMX 5.0ウェビナー(出典:STMサイト)

STM32G0とSTM32CubeMX 5.0のWebinarが、日本時間2019年1月24日、木曜午前3時から午前4時に開催されます。アジェンダは、下記です。

  • Overview of STM32 microcontrollers, with focus on the STM32G0
  • Key features and peripherals embedded in the STM32G0
  • Description of the STM32CubeMX 5.0 graphical software configuration and code generation tool
  • Demonstration of hands-on examples running on the STM32G0 developed with the full-featured, free-to-use Keil MDK for STM32G0 and STM32CubeMX 5.0

木曜勤務に差し支えるかもしれない深夜ですが、PCさえあれば誰でも無料で視聴できます(要ログイン)。

関連投稿:守備範囲が広いSTM32G0

1週間位待てば、STMサイトのビデオコーナーでいつでも見ることができようになるとは思いますが、新汎用MCU STM32G0とそのAPI開発ツールSTM32CubeMX 5.0の新鮮な情報、参加者主催者のQ&Aが直接聞ける機会ですので、お知らせします。

2018 IoT MCUを振り返る

今年も多くの方々に本HappyTechブログをご覧いただき、また、多くの方々にマイコンテンプレートをご購入いただいたことに心より感謝いたします。ありがとうございました。

2018年の弊社ブログ投稿を振り返って、IoT MCUの2018動向を総括します。

ノードとエッジに2層化するIoT MCU

IoT時代には、数十億個以上もの膨大な数が必要と言われるIoTエッジMCU、これが本ブログ対象マイコンです。低コスト、低消費電力、効率的ハードウェア/ソフトウェア生産性が求められます。

これらIoTエッジMCUを束ね、クラウドと無線通信するのがIoTノードMCU。IoT MCUは、ノードとエッジの2層化傾向があります。

IoT MCU日本ベンダー動向

ルネサス エレクトロニクス:アナログフロントエンド強化の買収継続
NXPセミコンダクターズ:クアルコム買収断念で独自性維持
サイプレス・セミコンダクター:超低電力Cortex-M0+製品強化
STマイクロエレクトロニクス:日本語資料強化

自動車と産業、セキュリティがIoT MCUを牽引

超高性能、セキュリティ、CAN FD、低電力が自動車向け要求、同じくセキュリティ重視だが、コストパフォーマンスも重視、低電力が産業向け要求、両要求ベクトルがIoT MCUベンダー開発を牽引中。

MCUコアのこだわり不要

要求を満たすには広いMCUカバー能力と低電力動作が必要で、Cortex-M0+とCortex-M4のマルチコアや、シングルコア動作周波数の引上げが見られます。製造プロセス微細化も進むでしょう。

エンドユーザ(顧客)は、いわゆるソリューション(解)を求めていて、要求を満たせばMCUコアが何でも構わないので、開発者は、手段であるMCUコアにこだわる必要性を少なくすることが求められます。

つまり、最適ソリューションのハードウェア/ソフトウェアを、様々なベンダー、MCUから自ら選択し、効率的に解を提供できるIoT MCU開発者がプロフェッショナルです。

そこで、ソリューション提供・提案をする開発者個人向けツールとして、弊社マイコンテンプレートを発展させる予定です。ブログ対象IoT MCUも、この基準にフォーカスし情報提供します。

以上簡単ですが2018年のIoT MCUを総括しました。2019年も引き続きよろしくお願いいたします。

守備範囲が広いSTM32G0

2018年12月のSTM32マイコンマンスリー・アップデートのトップページに、先日投稿した新汎用MCU STM32G0の概要とブロック図が記載されました。また、12月18日のEDN JapanにもIoT機器を小型化効率化する32ビットマイコンとしてSTM32G070(48ピン/ROM128KB)が約69セントと安価であることが紹介されています。

STM32G0シリーズブロック図
STM32G0シリーズブロック図(出典:マンスリー・アップデート2018年12月トップページ)

本稿は、これら新MCU STM32G0記事を整理し、開発ベースとして最適なアクセス・ライン製品STM32G71と評価ボードの入手性、価格について示します。

3製品:バリュー・ライン、アクセス・ライン、アクセス・ライン&エンクリプション

STM32G0の説明がある時、3製品のどれを説明しているかを区別、意識する必要があります。というのは、STM32G0のアプリケーション守備範囲が、とても広いからです。3製品の特長をまとめたのが下表です。

STM32G0の3製品特徴
製品ライン 型番例 特徴
バリュー・ライン STM32G70 コスト最重視のエントリクラス製品
アクセス・ライン STM32G71 ハードウェアセキュリティ搭載の標準製品
アクセス・ライン&エンクリプション STM32G81 アクセス・ラインに暗号化機能搭載製品

EDN Japan記事のSTM32G070(48ピン/ROM128KB)の69¢は、バリュー・ラインのことです。マンスリー・アップデートのブロック図は、3製品機能をAND表示したものです。

3製品差を理解するには、STMサイトのSTM32G0製品シリーズと、オンライントレーニング資料STM32G0 Series Presentation P2が役立ちます。

STM32G0製品シリーズ
STM32G0製品シリーズ(出典:STMサイト)
STM32G0の3製品差
STM32G0の3製品差(出典:STM32G0 Series Presentation P2)

現在供給中の3製品差と、今後のラインナップを整理すると以下になります。

供給中デバイスと開発予定ラインナップ
供給中デバイスと開発予定ラインナップ(出典:STM公式ブログ)

バリュー・ライン(灰色)
アナログフロントエンド向きのアプリケーションに特化した2.5Mspsの高速12ビットADC実装のバリュー・ライン(STM32G070)は、価格最重視のエントリ製品でEDN Japan記事のように1$以下の調達ができます。また、供給中と今後のラインナップの図から、8/20ピンなどの小ピン&小ROM製品が予定されていることも解ります。

アクセス・ライン(水色)
バリュー・ラインと同様小ピン&小ROM製品に加え、100ピン&大ROM製品の予定もあります。アプリケーションに応じてDAC、USB-PO、CAN FDなどの周辺回路が実装可能です。さらに、1.65-3.6Vと他製品より低電圧側への広い動作も特徴です(Presentation P2参照)。

これらの仕様の幅広さから、STM32G0の最も標準的なベースMCUと言えます。アクセス・ラインでプロトタイプ開発しておけば、内蔵周辺回路が同じシリーズのバリュー・ラインやアクセス・ライン&エンクリプションへそのまま応用・適用できるからです。

アクセス・ライン&エンクリプション(紺色)
IoTアプリケーションでは必須になるハードウェア暗号化機能をアクセス・ラインに追加しています。

STM32G0の幅広いMCUコア性能

これも先の投稿で示したSTM32FxとSTM32G0の違い図から、STM32G0はSTM32F0より低い消費電力と、STM32F1並みの高性能をハイブリッドしたMCUであることが解ります。つまり、STM32G0(Cortex-M0+/64MHz)で、F0~F1のMCUコア性能範囲をカバーできるのです。

STM32G0のGは、アプリケーション守備範囲の広さを示すGlobal、またはGeneral(汎用性)を表しているのかもしれません。STM32FxのFは、Flexibilityでしょうか?

STM32G0のサンプルソフトウェア

アクセス・ラインSTM32G071RB(64ピン/ROM128KB)実装の評価ボードNUCLEO-G071RBは、STMの公式サンプルソフトウェア数が159個(AN5110参照)と現在最も多く、STM32G0のアプリケーション開発に適していると思います。

この評価ボードとサンプルソフトを活かして開発したソフトは、バリュー・ラインやアクセス・ライン&エンクリプションへも同じシリーズですので、容易に応用・流用が可能です。

また、暗号化機能搭載のアクセス・ライン&エンクリプションSTM32G081RB搭載の評価ボードSTM32G081B-EVAL board:$382を使えば、暗号化認証手順や鍵管理などのセキュリティ関連が効率的に習得できるハズ(?)です。
※セキュリティ関連は、ホストとスレーブの2役が必要など、筆者自身不明な点も多いため、今後別途調査したいと考えています。

STM32G0の入手性と価格

ネット通販が盛んになったおかげで、近頃は新発売後1ヶ月も経っていない最新デバイスであっても、個人で1個から入手できます。

2018年12月24日現在、Mouser(マウサー日本)のアクセス・ラインSTM32G071RB(64ピン/ROM128KB)と、評価ボードNUCLEO-G071RBの価格表です。もちろん代理店経由なら、この価格よりも安く入手できるでしょう。

STM32G0の価格(2018年12月調査)
Mouser入手の場合 数量 価格(JPY
STM32G071RB 1 398
10 360
100 298
1000 213
NUCLEO-G071RB 1 1,203

STM32G0は、たとえ個人でも、入手性良く低価格で入手できると言えるでしょう。

まとめ

新発売STM32G0は、従来メインストームSTM32F0~STM32F1で開発していた広いアプリケーション範囲をカバーできる汎用MCUです。またIoTエッジMCUに必要になる暗号化機能をハードウェアで実装済みの製品もあります。

3種ある製品のうち、アクセス・ラインのSTM32G071RB(64ピン/ROM128KB)実装の評価ボードNUCLEO-G071RB は、STM公式サンプルソフトウェア数が現時点で最も多く、STM32G0の汎用性、広範囲アプリケーション対応性を活かした開発のベースに最適と評価しました。

これら評価ボードとSTM32G071RBデバイスは、個人でも比較的安価に入手できることも分かりました。

STM新汎用MCU STM32G0

2018年12月4日、STマイクロエレクトロニクス(以下STM)の公式ブログで新汎用MCU STM32G0、Cortex-M0+/64MHzを発表しました。以下の特徴があります。
※汎用=メインストリームと本稿では考えます。

新汎用STM32G0、Cortex-M0+/64MHz、メインストリーム90nmの特徴

STM32メインストリームMCU
STM32メインストリームMCU:STM32FxとSTM32G0の違い(出典:STM32 Mainstream)
  • 「メインストリーム初の90nmプロセスMCU」:従来メインストリームSTM32F0は180nmプロセス
  • 「ハイブリッド」:STM32L4(90nmプロセス)の低消費電力とSTM32F0のメインストリームの両方をハイブリッド
  • 「モアIO」:64ピンパッケージSTM32F071比較でIOピン9本増加、48ピンでもIOピン7本増加
  • 「単一電源供給」:PCBパターン設計が容易
  • 「セキュリティハード内蔵/非内蔵」:128/256ビットAES、セキュアブート、乱数発生器、Memory Protection Unit (MPU)
  • 「USB-C」: IPによりUSB-Type-C可能
  • NUCLEO-G071RB board」:低価格評価ボード提供中、「STM32G081B-EVAL board」:$382
STM32G0ラインナップ (出典:STM公式ブログ)
供給中の3種製品とSTM32G0ラインナップ (出典:STM公式ブログ)
STM32G0 Product Lines(出典:STM32G0 Serie Presentation)
STM32G0 Product Linesから3種製品の違いが解る(出典:STM32G0 Series Presentation)

STM32G0オンライントレーニング

データシートよりも解りやすいSTM32G0オンライントレーニング資料が多数あります(要ログイン)。

例えば、以下のような興味深い情報が得られます。各数ページの英文スライド形式ですので、STM32G0以外のMCUを使用中の方でも、チョットした空き時間に読めます。

  • STM32G0 Series Presentation:内蔵ハードウェアによりValue/Access/Access & Encryptionの3種製品特徴
  • ARM Cortex-M0+ (Core):Cortex-M0とM0+の差、Memory Protection Unit 説明
  • Safety:安全基準とその実現方法
  • Random Number Generator (RNG):アナログノイズに基づいた32ビット乱数発生
  • STM32G0 Boards:NUCLEO-G071RB board解説

STM32CubeMX V5.0.0

STM32G0のコード生成は、STM32CubeMX V5.0.0からサポートされました。

V4までと同じSW4STM32、TrueSTUDIO、両方のIDEで使えます。STM32CubeMX V5が提供するMCUファームパッケージで、本ブログ関連を抜粋したのが下表です。

STM32CubeMX V5.0.0提供MCUファームウェア版数
対象MCU firmware(評価ボード、STM32G0ボード暫定) 最新Version
STM32F1(STM32F103RB、Cortex-M3/64MHz V1.7.0
STM32F0(STM32F072RB、Cortex-M0/48MHz V1.9.0
STM32G0(V5で新設、STM32G071RB、Cortex-M0+/64MHz V1.0.0

STM32Fxテンプレートでも使用中のHAL(Hardware Abstraction Layer)ライブラリでコード生成すれば、STM32F1、STM32F0とSTM32G0間で、流用/応用が容易なソフトウェア開発ができると思います。

まとめ

新発売のSTM32G0は、90nmプロセス初のメインストリーム汎用MCUです。一般的に製造プロセスを微細化すれば、動作クロックが高速になり電力消費も低下します。さらに、STM32G0は、Cortex-M0より性能が向上したCortex-M0+コアの採用により、Cortex-M3のSTM32F1クラスに並ぶ高性能と超低消費電力動作をハイブリッドした新汎用MCUと言えます。

周辺回路では、IoTで懸念されるセキュリティ対策をハードウェアで実施、IOピン数増加、PCB化容易、USB-Type Cインタフェース提供など、各種IoTエッジMCU要求を満たす十分な魅力を持つMCUです。

競合するライバルMCUは、Cortex-M0+のNXP S32K116/S32K118(2018/7発売)などが考えられます。

関連投稿:NXP新汎用MCU S32K1

NXP新汎用MCU S32K1

NXPセミコンダクターズ(以下NXP)から車載・産業機器向けの、新しい汎用Cortex-M0+/M4 MCU S32K1ファミリが発売中です。
同社の汎用MCUと比べ、何が新しいかを調べました。

S32K1の特徴(汎用MCUとの差分)

セキュリティ強化ARMコアは、Cortex-M23/M33があります。ところが、NXPのS32K1ファミリは、従来のCortex-M0+/M4コアを使います。Cortex-M0/M0+/M3汎用MCUと比べると、差分として以下の特徴があります。

AEC-Q100グレード1規格準拠

AEC-Q100:Automotive Electronics Council、車載用電子部品信頼性の規格化団体の規格AEC-Q100は、世界標準規格で欧米の車載向け集積回路の規格。製品使用温度範囲によりグレード0~3まであり、グレード0が-40℃から+150℃で最も広範囲、グレート1は-40℃から+125℃。

セキュリティ強化ハードウェア内蔵MCU

SHE準拠Cryptographic Services Engine (CSEc) - AES128、セキュアブート、ユニークID

専用IDEのソフトウェア開発

S32 Design Studio(Processor Expert)、無償、コードサイズ制限なし

車載・産業 両方向けの汎用MCUで最低15年供給

S32K11x(Cortex-M0+):S32K116/S32K118(2018/7発売)、評価ボード$49
S32K14x(Cortex-M4):S32K142/S32K144/S32K146/S32K148(2017/12発売)、評価ボード$49/$149

S32K MCUs for Automotive and Industrial Applicationsから抜粋したS32K1ファミリの特徴が下図です。図はAEC-Q100グレード0と表記がありますが、Cortex-M0+のS32K11xは、データシートによるとグレード1です。

S32K1特徴
S32K1の特徴 (出典:S32K MCUs for Automotive and Industrial Applications)

S32K118EVB-Q064はDigiKeyで購入可能

新汎用MCUのセキュリティ強化策と専用IDE:S32 Design Studio(Processor Expert)

IoTでは汎用MCUであってもセキュリティ強化が必須です。現在、対策として3アプローチあります。

  1. 汎用コアMCUに、セキィリティ強化回路を内蔵(本稿)
  2. 汎用コアMCUに、外付けセキュリティデバイスを追加 → 関連投稿:セキュリティ強化デバイス:A71CH
  3. セキュリティ強化コアを採用 → 関連投稿:セキュリティ強化ARMコアCortex-M23/M33

1のメリットは、2と比べ部品点数が少ないこと、3と比べ従来の汎用コア開発との親和性が高く、セキュリティ関連開発が容易になる可能性があることです。

専用IDE:S32 Design StudioのAPI生成ツールは、旧FreescaleのProcessor Expertです。NXPが、なぜ既存LPCXpresso IDEでなく、専用S32 Design studioとProcessor Expertを用いたかは不思議です。が、Processor Expertという優れたAPI生成ツールのことを知っている開発者にとっては朗報になるかもしれません。

S32K1の魅力:車載・産業機器・IoT全共用

現在のS32K1ファミリ想定アプリケーションは下記です。車載・産業向けに別々のS32K1が有るわけではなく共用です。

S32Kアプリケーション
S32Kアプリケーション(出典:車載・産業機器向け Arm® Cortex®ベース S32Kマイクロコントローラ (REV 3.1))

2017~2018年に供給が始まり、最低15年の供給保障、全てに評価ボードもあります。Cortex-M0+とCortex-M4間の接続は、次世代車載ネットワークCAN FDです。

S32K14x(Cortex-M4)がNode MCU化しIoT無線通信機能を実装すれば、S32K11x(Cortex-M0+)をEdge MCUとして利用可能で、S32K1が「車載・産業機器・IoT全てを狙える新しい汎用MCU」に大化けする可能性はあると思います。

関連投稿:Node MCUとEdge MCU、気になる点2の章参照

そのほか、FlexIO、FlexTimerなどの新しい周辺回路も実装されていますので、S32K1を引き続き調査する予定です。

Cortex-M0/M0+/M3比較とコア選択

デバイスが多く選択に迷う方も多いマイコン:MCU。周辺ハードウェアも異なるので、最初のMCUコア選択を誤ると、最悪の場合、開発のし直しなどに繋がることもあります。

本稿は、STマイクロエレクトロニクスのSTM32マイコンマンスリー・アップデート10月号P8のトレーニング資料、STM32L0(Cortex-M0+)掲載のARM Cortex-M0/M0+/M3の比較資料を使ってMCUコア選択方法についての私案を示します。

STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料

各種STM32MCU(Cortex-Mx)毎の非常に良くできた日本語のテクニカルスライド資料が入手できます。例えばSTM32L0(Cortex-M0+)は194ページあり、1ページ3分で説明したとしても、約10時間かかる量です。他のMCU(Cortex-Mx)資料も同様です。

開発に使うMCUが決まっている場合には、当該資料に目を通しておくと、データシート読むよりも解りやすいと思います。しかし、Cortex-Mxコア差を理解していない場合や、開発機器の将来的な機能拡張や横展開等を考慮すると、どのMCU(Cortex-Mx)を現状開発に使うかは重要検討項目です。

ここで紹介するSTM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料には、Cortex-M0+特徴説明のため、通常データシートには記載が無いCortex-M0やCortex-M3との違いも記載されています。

そこで、STMマイコンのみでなく一般的なARMコアのMCU選択に重要な情報としても使えるこの重要情報ページを資料から抜き出しました。

Cortex-M0/M0+/M3比較

バイナリ上位互換性

Cortex-Mxのバイナリ互換性(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-Mxのバイナリ互換性(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)

先ず、P22のCortex-Mプロセッサのバイナリ互換性です。この図は、Cortex-Mxコアの命令セットが、xが大きくなる方向には、上位互換であることを示しています(ただし再コンパイル推薦)。逆に、xが小さくなる方向は、再コーディングが必要です。

つまり、Cortex-M0ソースコードは、M0+/M3/M4へも使えるのです。Cortex-Mxで拡張された命令セットの特徴を一言で示したのが、四角で囲まれた文章です(Cortex-M3なら、“高度なデータ処理、ビットフィールドマニピュレーション”)。
さらに、STM32MCU内臓周辺ハードウェアは、各シリーズで完全互換なので、同じ周辺ハードウェア制御ソースコードはそのまま使えます。

もちろんxが大きくなるにつれコア性能も向上します。しかし、よりCortex-Mx(x=+/3/4)らしい性能を引き出するなら、この四角文章のコーディングに力点を置けば、それに即した命令が用意されているので筋が良い性能向上が期待できる訳です。

超低電力動作Cortex-M0+、39%高性能Cortex-M3

P22ではCortex-M0とM0+の違いが解りません。そこで、P19のCortex-M0/0+/3機能セット比較を見るとCortex-M0+が、Cortex-M0とCortex-M3の良いとこ取り、中間的なことが解ります。また、Cortex-M3が、M0比39%高性能だということも解ります。

Cortex-M0_M0+_M3セット比較(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0_M0+_M3セット比較(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)

具体的なCortex-M0+とCortex-M0との差は、P20が解りやすいです。Cortex-M0+は、性能向上より30%もの低消費動作を重視しています。また、1サイクルの高速GPIOも特徴です。Cortex-M0+は、M0の性能を活かしつつより既存8/16ビットMCU市場の置換えにチューニングしたからです。

Cortex-M0とCortex-M0+の比較(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0とCortex-M0+の比較(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)

さらにP21には、低電力化に寄与した2段になったパイプラインも示されています。Cortex-M0/M0+は、今年初めから話題になっている投機的実行機能の脆弱性もありません。

Cortex-M0とCortex-M0+のブランチ動作(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0とCortex-M0+のブランチ動作(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)

関連投稿:Cortex-Mシリーズは、投機的実行機能の脆弱性はセーフ

共通動作モード:Sleep

Cortex-M0とCortex-M0+の低消費電力モード(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0とCortex-M0+の低消費電力モード(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)

低電力化は、Cortex-M0+で追加された様々な動作モードで実現します。この一覧がP70です。つまり、Cortex-M0+らしさは、M0にない動作モード、LP RUNやLP sleep (Regulator in LP mode)で実現できるのです。

逆に、SleepやSTANBYの動作モードは、Cortex-M0/M0+で共通です。さらに、Cortex-M3でも、アーキテクチャが異なるので数値は異なりますが、SleepとSTANBY動作モードはM0/M0+と共通です。

ここまでのまとめ:Cortex-M0/M0+/M3の特徴

Cortex-M0/M0+/M3の特徴・違いを一言で示したのが、下表です(関連投稿より抜粋)。

各コアの特徴は、MCUアーキテクチャや命令セットから生じます。但し、M0/M0+/M3でバイナリ上位互換性があるので、全コアで共通の動作モードがあることも理解できたと思います。

ARM Cortex-Mx機種 一言で表すと…
Cortex-M0+

超低消費電力ハイパフォーマンスマイコン

Cortex-M0

低消費電力マイコン

Cortex-M3

汎用マイコン

Cortex-M4

デジタル信号制御アプリケーション用マイコン

関連投稿:ARMコア利用メリットの評価

MCUコア選択方法

  1. Cortex-M0またはCortex-M0+コアでプロトタイプ開発を行い、性能不足が懸念されるならCortex-M3コア、さらなる消費電力低下を狙うならCortex-M0+コアを実開発で選択。
    プロトタイプ開発に用いるソースコードは、そのまま実開発にも使えるように、全コアで共通の動作モードで開発。
  2. 早期にプロトタイプ開発を実開発に近い形で作成するために、弊社マイコンテンプレートを利用。

1.は、本稿で示した内容を基に示したMCUコア選択指針です。低消費電力がトレンドですので、プロトタイプ開発の段階から超低消費電力のCortex-M0+を使うのも良いと思います。しかし、初めから超低消費動作モードを使うのでなく、全コアで共通動作モードでの開発をお勧めします。

理由は、万一Cortex-M0+で性能不足が懸念される時にCortex-M3へも使えるソースコードにするためです。プロトタイプ開発の段階では、ソースコードの実開発流用性と実開発の評価を目的にすべきです。チューニングは、実開発段階で行えばリクスも少なくなるでしょう。

2.は、プロトタイプ開発実現手段の提案です。マイコンテンプレートは、複数のサンプルソフトを結合して1つにできます。実開発に使える(近い)サンプルソフトさえ見つけられれば、それらをバラック的にまとめて動作確認できるのです。これにより、当該コアのプロトタイプ評価が早期にできます。

また、マイコンテンプレートで使用したSTM32評価ボードは、ボードレベルでピンコンパチなのでCortex-M0/M0+/M3への変更も簡単です。

関連投稿:マイコンテンプレートを使ったアプリケーション開発手順

MCUコア選択の注意事項:重要度評価

ARMコア向けの弊社マイコンテンプレートは、全てCortex-M0/M0+/M3共通の動作モードで開発しています。
その理由は、テンプレートという性質・性格もありますが、本稿で示した他のARMコアへのソースコード流用性が高いからです。試しに開発したソースコードであっても、無駄にはならないのです。

最後に、P184、P185に示されたCortex-M0(STM32F0)とCortex-M3(STM32L1)、Cortex-M0+(STM32L0)のADCの差分を示します。

Cortex-M0/M0+/M3のADC比較1(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0/M0+/M3のADC比較1(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0/M0+/M3のADC比較2(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)
Cortex-M0/M0+/M3のADC比較2(出典:STM32L0(Cortex-M0+)トレーニング資料)

STM32MCU内臓周辺ハードウェアは、各シリーズで完全互換と先に言いましたが、スペックを細かく見るとこのように異なります。

このハードウェア差を吸収するのが、STM32CubeMXで提供されるHAL(Hardware Abstraction Layer)です。つまり、STMマイコンを使うには、コア選択も重要ですが、STM32CubeMX活用も同じように重要だということです。もちろん、STM32FxマイコンテンプレートもSTM32CubeMXを使っています。

ARMコアは、バイナリ上位互換ができる優れたMCUコアです。MCUベンダーは、同じARMコアを採用していますが、自社のMCU周辺ハードウェアレベルにまで上位互換やその高性能を発揮できるような様々な工夫・ツールを提供しています。

開発MCUを選択する時には、コア選択以外にも多くの選択肢があり迷うこともあるでしょう。多くの場合、Core-M0/M0+/M3などの汎用MCUコアでプロトタイプ開発を行えば、各選択肢の重要度評価もできます。スペックだけで闇雲に選択するよりも、実務的・工学的な方法だと思います。

Windows 10更新中断、μT-Kernal、IoTマイコン

Windows 10 1809更新によりユーザファイルが消失するトラブルが発生しています。このためMicrosoftは、Windows 10 1809への更新を一時中断しました。

Windows 10更新でマイドキュメントフォルダ消失!

消失フォルダは、よりによってC:\User\[user name]\Documentsだそうです。マイコンIDEのプロジェクトファイルをマイドキュメントフォルダへ設定している方(私がそうです)は、1809更新を待った方が良いかもしれません。

幸い私の3台のPCは、全て問題なく1809更新に成功し、Documentsフォルダも無事でした。

よく言われる最悪を避けるには、個人データのバックアップです。しかし、Windows機能更新時に、最も守るべきユーザデータを壊す/消すという不具合は、OSとしては許されません。Fast/Slow リングで検証できなかったのでしょうか?

μT-Kernal

OSと言えば、マイコン向けのリアルタイムOS:μT-Kernalの解説がトランジスタ技術2018年10月号の組込みOS入門という別冊にあり、第2章~第6章にリアルタイムOS(RTOS)の説明があります。

また、トロンフォーラムへの登録が必要ですがルネサスRL78/G14向けにポーティングしたμT-Kernalを無料でダウンロードできます。

※μT-Kernalは、ITRONベースに2003年公開の32ビットマイコン向けオープン・ソースRTOS。

本ブログではこれまでRTOSとしてFreeRTOSを紹介してきました。μT-Kernalと比較するとより理解が進むと思います。

関連投稿:マイコンRTOS習得

IoTマイコンとRTOS

IoTマイコンにRTOSを使うと、今回のWindows 10のようなトラブルを招く可能性が生じます。ただIoT通信手段が何になるにせよ、高度なセキュリティや公共リソース利用のための通信処理をマイコンで行うには、RTOSが必要になると思います。

この状況ならいっそのことIoTマイコンには、Cortex-M4(または同等クラス)とCortex-M0/M0+マルチコアを導入し、Cortex-M4でIoT関連処理、Cortex-M0/M0+で従来のMCU処理に2分割、さらにIoT関連処理はMCUベンダーが全て無償提供してくれればIoT MCUの爆発的普及が進むと思います。

つまり、Cortex-M4のIoT関連処理がWindows 10に相当する訳です。これならIoT通信手段やセキュリティが変わってもCortex-M4部分のソフトウェアをOTA(Over The Air)で変えれば対応できます。我々開発者は、本来のマイコン処理に集中できます。
理想的な空想ですがね…。

関連投稿:OTAについてIoT端末の脆弱性対応はOTA:Over The Air更新が必須の章参照

STM32マイコン マンスリー・アップデート

STマイクロエレクトロニクス(以下STM)の「日本語マイコン関連情報」、STM32マイコン マンスリー・アップデートを紹介します。

STM32マイコン マンスリー・アップデート
STM32マイコン マンスリー・アップデート。2018年バックナンバーも示す(出典:STマイクロエレクトロニクス)。

無料の登録制です。

  1. MCU最新トピックス(コラム、半ページ技術解説含む)
  2. MCU資料:更新/新規追加の一覧
  3. 開発環境(IDE)更新情報、日本語資料(トレーニング資料含む)

その他、開発に役立つ情報が、丁寧に整理されています。

特に、1最後の”今月のコラムと技術解説”は、A4:1ページに纏まっていて、チョットした空き時間に目を通しておくと、後々役立つ情報になると思います。

また、2と3のMCU資料更新や新規追加、IDE更新情報は、リンク一覧で当該場所が判る優れたハイパーテキストです。

STM32開発者以外のARM Cortex-M開発者にも有用

STM32開発者に限らずARM Cortex-M開発者なら一読の価値がある月刊誌でお勧めです。

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。