STM32のStep-by-Step Guide

STマイクロエレクトロニクス(以下STM)公式ブログのカテゴリ:TutorialsからSTM32開発環境を構築する方に最適な投稿を見つけたので、紹介と気になる点を示します。

Step-by-Step Guide

STM32 step-by-step learning program
STM32 step-by-step learning program

2018年10月8日が投稿日のこの記事は、STM32の開発環境(IDE)構築から評価ボード、UART接続、IoT評価ボードとスマホ接続などを5つのStepで示しています。内容は、前後半の2つに大別できます。

前半は、Step1(45分)で開発環境を構築し、Step2(30分)でSTM32CubeMXとHAL説明、Step3(34分)で評価ボード(NUCLEO-L476RG)とUART利用のPC通信を紹介するなど、内容は、弊社昨年のブログ投稿の最新版と言えます。

後半は、Step4(60分)でIoT評価ボードDiscovery kit IoT node (B-L475E-IOT01A)(DigiKeyにて¥6,370販売中)の使い方、Step5(30分)でAndroidスマホと同評価ボードをBLEで直結し、IoTシステムを構築しています。

IoT評価ボードは、Cortex-M4(915MHzまたは868MHz)を使い、Arduinoコネクタ、モーション、ジェスチャ、環境センサなどが実装済みなので、スマホで取得センサデータを視覚化できます。さらにAWS(アマゾン ウェブ サービス)経由でも接続できるので、本格的なIoTノード開発・評価にも使えそうです。AWSとの接続方法は、コチラの動画(11分12秒)に解説されています。
※動画閲覧にはログインが必要です。

関連投稿:Amazon、IoTマイコンへFreeRTOS提供

気になる点1:TrueSTUDIO

STMは、2017年12月に統合開発環境TrueSTUDIO開発元のAtollic社を買収しました。その結果、無償IDEのラインナップは従来と同じですが、開発会社の説明が変化しました。

関連投稿:2018マイコンベンダ最新ニュースのSTM章参照

STM32ソフトウェア開発スイート(要ログイン)のページで説明します。License typeでフィルタすると、無償版IDEラインナップが表示されます。SW4STM32欄のShow more…をクリックすると下段に“This product is supplied by a third party NOT affiliated to ST”の記述があります。これが気になる点です。

IDE License type Free検索結果
IDE License type Free検索結果。SW4STM32には、”not affiliated to ST”の記述がある。

この記述は、TrueSTUDIO欄には無く、代わりにProduct Imageに“ST acquires Atollic”と記載され、STとAtollicのロゴが表示されます。つまり、STMの無償IDEは、TrueSTUDIOが標準?の感じです。

TrueSTUDIOのProduct Image
TrueSTUDIOのProduct Imageは、STとAtollicのロゴが表示

従って、新たにSTM開発環境を構築される方は、TrueSTUDIOを選ぶと良いかもしれません。これを裏付けるのが、Step1紹介のIDEがTrueSTUDIOだということです。TrueSTUDIOがSW4STM32とほぼ同様に操作できるのは、コチラの動画(9分42秒)で解ります。

弊社2017年9月発売のSTM32FxテンプレートもSW4STM32を使っていますが、これもTrueSTUDIOに変えた方が良いかもしれません。但し、TrueSTUDIOには、SW4STM32プロジェクトをそのままインポートする機能が備わっていますので、二手間のOKクリックが増えますがしのげそうです(Step4のP8、Appendix Porting an AC6 example to TrueSTUDIO参照)。

Porting SW4STM32 project to TrueSTUDIO(出典:Step4)
Porting SW4STM32 project to TrueSTUDIO(出典:Step4)。OK2回クリックでSW4STM32プロジェクトをTrueSTUDIOへインポートできる。

IDEポーティングは、MCUベンダーが、古いIDEから新しいIDEへ替える時に良く使う方法で、NXP(Kinetis Design Studio→NXP Expresso)、ルネサス(Hew→CS+)などでもおなじみです。SW4STM32→TrueSTUDIOがあるのも、STMがTrueSTUDIOを推薦しつつある証と言えるでしょう。

気になる点2:Edge MCUとNode MCU

Step-by-Step Guide資料が前後半で使用MCUと評価ボードが2つに別れたように、前半のEdge MCUと後半のNode MCUの2つの機能に分かれてIoT MCUが発展する気がします。

  • Edge MCU:低消費電力でIoTデータ取得(アナログフロントエンド)機能を備えたMCU。従来のベアメタル開発の延長・発展形。
  • Node MCU:AWSなどIoTネットワーク出入口の無線、高度なセキュリティ機能を備えたMCU(Edge MCUを包含する場合あり、例:Discovery kit IoT node)。FreeRTOSなどのOS実装は必須で、従来MCUより高機能・高性能、1GHzにせまる高速動作。

※ベアメタル開発:OSなどを使わないMCU開発

Edge MCUとNode MCUの違いは、端的に言えば、ベアメタルソフトウェア開発かRTOSソフトウェア開発かです。MCUソフトウェア開発者も、ベアメタルとRTOSの2つに分かれるかもしれない、というのが第2の気になる点です。

Edge MCUだけではIoTに接続すらできません。Node MCUがIoT接続に必須になりつつある気がします。

STM32CubeMXの使い方Tips

STM32CubeMXは、STM32Fxマイコンのコード生成ツールとして良く出来ています。但し、現状1つ残念なことがあります。HAL:Hardware Abstraction Layerに加え、BSP:Board Support Packagesをドライバとして出力しないことです。そこで、現状のHALドライバのみ出力に対策を加えます。

STM32CubeMX
STM32CubeMX

STM32Fxファームウエア構成

STM32Fx Software Structure
STM32Fx Software Structure

STM32Fxファームウエア構成が上図緑線の個所です。STM32Fxマイコンサンプルソフトは、使用するファームウエアライブラリに応じて、Low Layer examples、Mixed HAL & Low Layer examples、HAL examplesの3種類あります。

各ファームウエアの差や、サンプルソフトの場所は、以前記事で解説しました。ここでは、STM32F0からSTM32F1へのポータビリティが最も高いHALライブラリ(=ドライバ)を使うサンプルソフト:HAL examplesに的を絞って解説します。

HAL Examples

このサンプルソフトの優れた点は、評価ボード実装済みの青SW(USER Blue)と緑LED(LD2)のみで全てのサンプルソフト動作を確認できることです。SW入力と、LED点滅間隔を変えることで、正常/NG/入力待ちなど様々なサンプルソフトの動作状態を表現します。

この青SWと緑LEDを制御するには、GPIO定義とHALライブラリを組合せた一種のサブルーティンがあると便利です。このサブルーティンが、BPS:Board Support Packagesです。例えば、下記などです。

BSP_LED_On()、BSP_LED_Off()、BPS_LED_Toggle()、BPS_PB_GetState()

BSP_が先頭に付いているので、一目で評価ボード実装済みの青SWや緑LEDを制御していることが判りますし、HALライブラリを使って表現するよりも、可読性もより高まります。BPSの中身は、HAL自身ですので、Drivers層のBSP、HALともに同じ黄緑色で表示しています。

HAL exampleは、これらBSPとHAL両方を使って記述されています。

STM32CubeMX

STM32CubeMXは、最初に使用する評価ボードを選択後、コード生成が行えます。

STM32CubeMX Board Selector
STM32CubeMX Board Selector

但し、生成コードに含まれるのは、HALドライバのみです。BSPは、HALサブルーティンですので、自作もできますが、評価ボードを選択するのですから、せめてHALのみか、それともHALとBSPの両方をドライバとして出力するかの選択ができるように改善してほしい、というのが私の希望(最初に言った現状の残念なこと)です。

もしHALとBPSドライバ両方がSTM32CubeMXで出力されると、多くのHAL Examplesを殆どそのまま流用できるメリットが生じます。HAL Examplesは、残念ながらエキスパートの人手で開発したソースですが、これを自動コード生成の出力へ、より簡単に流用できる訳です。

STM32CubeMX出力ファイルへのBSP追加方法

BSPドライバを自動出力しない現状のSTM32CubeMXで、上記希望をかなえる方法は、簡単です。

STM32CubeMX出力ファイルへのBSP追加
STM32CubeMX出力ファイルへのBSP追加

手動でBSPのstm32f0xx_nucleo.cとstm32f0xx_nucleo.hをSTM32CubeMX生成プロジェクトのSrcとIncフォルダへコピーし、main.cのL43へ、#include “stm32f0xx_nucleo.h”を追記すればOKです。
※stm32f0xx_nucleo.c/hは、\STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F0_V1.8.0\Driversにあります。

たとえSTM32CubeMXで再コード生成しても、stm32f0xx_nucleo.c/hはそのままですし、追記した部分もそのまま転記されます。この方法で、HAL Examplesの流用性が向上します。

HAL Examplesを読むと、周辺回路の細かい設定内容が解ります。この設定をそのままSTM32CubeMXに用いれば、周辺回路の動作理解が進み、さらに自動コード生成ソースへ、Examplesソースをそのまま流用できるので、評価ボードでの動作確認も容易です。

まとめ

現状のSTM32CubeMXは、BSPドライバを出力しません。対策に、手動でBSPドライバを追加する方法を示しました。これによりエキスパートが開発したサンプルソフトを、より簡単に自動生成ソフトへ組込むことができます。

開発中の弊社STM32Fxテンプレートも、サンプルソフトを流用/活用が使いこなしのポイントです。そこで、このBPSを組込む方法をSTM32Fxテンプレートへも適用し、サンプルソフト流用性向上を図っています。

STM32F0ソフトをF1変更時のHAL利用効果

STM32ソフト開発に、HAL:Hardware Abstraction Layerライブラリを使えば、文字通りARMコアを抽象化したソフトが作れます。コード生成ツールSTM32CubeMXが、HALをデフォルトで使うのもこの理由からです(HALとLLライブラリについては、6月5日記事も参考にしてください)。

そこで、STM32CubeMXのHAL出力とF0:Cortex-M0評価ボードSTM32F072RB(48MHz)で動作するSTM32Fxシンプルテンプレートを、F1:Cortex-M3評価ボードSTM32F103RB(64MHz)へ載せ替えた時のソースコード変更箇所を示し、HALを使ってARMコアを抽象化した結果、ソースコードのどこが共通化でき、どこが異なるのかを具体的に示し、HALの利用効果を評価します。

※STM32Fxシンプルテンプレート仕様は、前回記事参照。
※STM32F072RBとSTM32F103RBは、ARMコアのみが異なる評価ボードで、実装済みの緑LEDとユーザ青SWも同一GPIOピンを使用しているので、STM32F0:Cortex-M0からSTM32F1:Cortex-M3へのソフト載せ替え評価に最適。

STM32FxシンプルテンプレートのSTM32F0からSTM32F1へのソースコード変更箇所

(1)HALライブラリのインクルード

結果から言うと、ARMコア抽象化機能を持つHALライブラリを使えばユーザが追記したソースコードは、大部分を共通にできます。
しかしHALライブラリ自身は、ARMコアにより異なります。このため、HALライブラリをインクルードするソースコードの箇所は、下記のようにstm32f0xx_hal.hからstm32f1xx_hal.hへ変更が必要です。

HALライブラリインクルード:STM32F0(左)とSTM32F1(右)
HALライブラリインクルード:STM32F0(左)とSTM32F1(右)

(2)割込み:NVICプログラマーズモデル

Cortex-M0/M0+は、割込み最大数32、優先度レベル4、一方Cortex-M3は、割込み最大数240、優先度レベル8~256とコアで異なるモデルですので、割込み関連ヘッダファイルの変更が必要です。

NVICプログラマーズモデル:STM32F0(右)とSTM32F1(左)
NVICプログラマーズモデル:STM32F0(右)とSTM32F1(左)

※STM32Fxシンプルテンプレートは、SysTick割込み以外はポーリングを使っています。GPIO割込みは、未使用です。この箇所は、デモソフトのGPIO割込み利用部分が参考になるため、テンプレートにそのまま流用した結果、変更が必要になった箇所です。

テンプレートへGPIO割込み処理を追加し、更にARMコアを変更する場合には、このNVICプログラマーズモデルの違いで変更が必要になります。

*  *  *

HALライブラリを使った結果、上記2か所以外のユーザソース、ヘッダファイルは、STM32F0とF1のMCUで共通化できました。共通ソースコードの一部を示します。動作クロックが48MHzと64MHzと異なりますが、同じHAL API:HAL_UART_Transmit()によりUART2送受信(19200bps 8-Non-1)ができています。

HAL_UART_Transmit()によるUART2送信
HAL_UART_Transmit()によるUART2送信

Cortex-M3のSTM32F103RB(64MHz)動作STM32Fxシンプルテンプレートファイル構成が下記です。

Simplate Template for STM32F1 Project Explorer
Simplate Template for STM32F1 Project Explorer

弊社が追加したソースファイルやヘッダファイルは、Pascal形式でファイル名を付けますので、図示のように赤で色分けしなくても一目でSTM32CubeMX生成ファイルとの区別ができます。

STM32CubeMX生成ファイルのHALライブラリインクルード部分は、STM32CubeMXが当該HALライブラリ(stm32f1xx_hal.h)を、また割込みは、当該NVICプログラマーズデモルに応じたソースを「上書きで」生成しますので、コア載せ替えによる修正箇所は、弊社追加ソースファイルとヘッダファイルに限定できます。

この限定ファイル(1)と(2)の個所のみを変更すれば、STM32F0ソースコードをF1へそのまま使えます。HALライブラリ利用によるソース/ヘッダの共通化効果は、非常に高いと言えるでしょう。

弊社ソースファイル、ヘッダファイルの変更箇所は、#ifdefプリプロセッサを使って、コアによる差分箇所を1つへまとめることも可能です。リリース版では、これを採用したいと考えています。HALライブラリ利用により、ARMコアに依存しないSTM32Fxテンプレート構想(x=0 or 1)が実現します。

STM32マイコン統合開発環境:SW4STM32の構築

STM32マイコンの統合開発環境: IDEは、EWARM、MDK-ARM、TrueSTUDIO、SW4STM32の4種類から選びます。

EWARM:IAR社Embedded Workbench for ARM。汎用IDE。無償版32KBコードサイズまで。
MDK-ARM:Keil社Microcontroller Development Kit for ARM。汎用IDE。無償版32KBコードサイズまで。
TrueSTUDIO:Atollic社Eclipse ベースSTM32専用IDE。無償版コードサイズ制限なし。
SW4STM32:仏)AC6社マルチOS EclipseベースSTM32専用IDE。無償版コードサイズ制限なし。本ブログはWindows版で説明。

STM資料は、これら4種IDEを併記していますので、英文量が増えます。4IDE同時に使う人はいませんので、自分が使うIDEの説明箇所のみを拾い読めば十分です。4IDE併記は、全てのSTM資料に共通ですので覚えておくと良いと思います。

また、コード生成ツールSTM32CubeMXも、4IDE対応で作られておりIDE名称を知らないとフォルダ名に戸惑うことになります(後で示すFigure3や4参照)。

今回は、これら資料の特徴を知ったうえで、SW4STM32へコード生成ツールSTM32CubeMXをプラグインしたSTM32マイコンテンプレート統合開発環境の構築と、評価ボードを使った構築環境の検証までを示します。

SW4STM32統合開発環境構築手順

前回記事に示したように、STM32テンプレート開発環境は、IDEにSW4STM32、評価ボードにNUCLEO STM32F072RBを使います。

1) SW4STM32インストールとUpdate
2) STM32CubeMXプラグインとUpdate
3) STM32CubeMXへ評価ボードMCUコアのライブラリダウンロード
4) ライブラリ(サンプルソフトとドライバ)のファイル構成確認
5) 評価ボードデモソフト説明と構築環境の動作検証

1)~5)がこの開発環境の構築手順です。上手く構築できたかどうかを、評価ボードデモソフトに変更を加え検証します。手順の内容を示します。

1)SW4STM32インストールとUpdate

最新版SW4STM32は、OpenSTM32 Communityページ中頃のdownload areaからダウンロードします(要ログイン)。旧版ではUpdateで最新版へ更新できる場合とできない場合がありますので、最新版のダウンロードをお勧めします。最新版へ更新できない時は、その旨の親切なメッセージが、Update実行後に出力されます。

SW4STM32のインストールは、ダウンロードインストーラの実行だけですので、特に問題ないと思います。忘れてはいけないのは、最新版(今日現在v2.0)でもインスト後、Updateが必要な事です。トラブル回避の為にも、SW4STM32のHelp>Check for UpdatesでIDE更新を実行後、次の手順へ進むようにしてください。

2)STM32CubeMXプラグインとUpdate

STM32開発で使うコード生成ツールSTM32CubeMXのプラグインインストール方法は、UM1718の3.3を参照してください。これも記載手順で行えば、問題なくできます。インストール後、3.4.3と3.5~3.5.1を参照し、STM32CubeMXのUpdateを行います。

3)STM32CubeMXへ評価ボードMCUコアのライブラリダウンロード

評価ボードMCUコアは、ARM Cortex-M0です。これをSTMは、STM32F0シリーズと呼びます。MainstreamのFx: x=0/1/2/3/4/7シリーズがCortex-M0/M3/M4/M7、ultra-Low-powerのLx: x=0/1/4シリーズがCortex-M0+/M3/M4コアを使います。F3≠M3なので注意してください。

UM1718の3.5.2のライブラリ選択で、STM32CubeF0の1.8.0版を選択し、Install Nowでサンプルソフトとドライバ等がIDEへインストールされます。最新版(STM32CubeF0の場合1.8.0)インストールで旧版分も含むので最新版のみでOKです。

今日現在は、1.8.0のパッチパッケージは無いので、以上の手順で、SW4STM32とSTM32CubeMXプラグイン設定が完了し、統合開発環境:IDEの構築は完成です。後は、UM1718の6~10に使用例がありますので、これらを習得すればSTM32開発ができます。

4)ライブラリ(サンプルソフト)の構成確認

3でインストールしたサンプルソフトやドライバは、デフォルトではドキュメントフォルダではなく、下記STM32Cubeフォルダになります。

C:\Users\ユーザ名\STM32Cube\Repository

ドキュメントフォルダ等へ変更したい方は、STM32CubeMXのUpdater Settingsで場所を変更してください。

STM32CubeMX Update Setting
STM32CubeMX Update Setting

このRepository内に、ダウンロードしたSTM32F0シリーズのZipファイルとこれを展開したファイルが同居しています。STM32CubeF0_V1.1.0の展開ファイル例が下記です。

STM32CubeF0 Firmware Structure
STM32CubeF0 Firmware Structure
STM32CubeF0 Example Overview
STM32CubeF0 Example Overview

Figure 4は、Figure 3のProjects/STM32F072RB-Nucleo下の構成を示します。Figure 3のドライバ(=Drivers)やFigure 4のサンプルソフト(=Examples)を活用すれば、アプリケーションの早期開発ができます。弊社STMテンプレートもこれらを使います。

注意点として、評価ボードNUCLEO STM32F072RB 以外のボードや、SW4STM32以外のIDE、つまりEWARMやMDK-ARMやTrueSTUDIOのUtilities等も含まれていることです。これらは、NUCLEO STM32F072RB(STM32F072RB-NucleoとFigure3表記)とSW4STM32を使う限りは不要です。
※STM資料もそうでしたが、STMソフトもまた4つのIDEや動作する全評価ボードに1ソフトで対応するように作られているので、上記のように使わないものが含まれています。

サンプルソフトの使い方は、UM1779の4.1にSW4STM32の記載があります。

5)評価ボードデモソフト説明と構築環境の動作検証

評価ボード購入直後、電源を入れると収納ケース裏GETTING STARTED記載の緑LED LD2が点滅し、その点滅間隔がB1ボタンを押す度に50/100/500msと変わるデモソフトが起動します。このデモソフトソースが、Figure 4のDemonstrations内にあります。そこで、このデモソフトを構築した環境へImportし、点滅間隔を変えることで環境が正しく構築されたかを検証します。

UM1787: STM32CubeF0 Nucleo demonstration firmwareにデモソフトの詳細が示されています。評価ボードに下図Arduinoシールドを装着すると、ジョイスティックやLCD表示も可能です。

Adafruit 1.8” TFT shield
Adafruit 1.8” TFT shield

デモソフト緑LED LD2の点滅箇所を抜粋したソースを示します。

LED Blink Routine
LED Blink Routine

簡単に説明すると、シールド未実装の場合はLED2_Blink()が実行され、BSP_PB_Init()で設定された割込みでHAL_GPIO_EXTI_Callback()が実行されBlinkSpeedをインクリメント、HAL_Delay()で点滅間隔が変わる、となります。

そこで、main.cのL574のHAL_Delay(500)をHAL_Delay(1000)などへ変更し、ビルド→デバッグでLD2の点滅間隔が変われば、構築した開発環境が正しく構築できたことを、評価ボードを使って検証できます。perspectiveをデバッグに切換えた画面を示します。

Debug Perspective View
Debug Perspective View

デバッガ接続に万一トラブルが発生した場合には、Run>Debug Configurations…で、STM32F072B0-Nuclei.elfを見つけてください。他の設定は、デフォルトで問題ありません。

Debug Configurations
Debug Configurations

デバッグ中は、評価ボードST-Link部実装の2色LED(赤緑)がキラキラして眩しいです。

SW4STM32の使い勝手は、画面切り替えにperspectiveクリックが必要など、NXPのMCUXpressoと比較すると、やや劣る操作性です。素のEclipse IDEに近いのだと思います。

さいごに

STMマイコンは、他社比ROM/RAM容量が大きいわりに低価格です。CMSISやHALを使うと、これぐらいの大きさが必要になるのだと思います。CMSISやRTOSが普及し始めると、Cortex M系コア性能に依存しないソフト開発ができるので、既に第5位ですが更に脚光を浴び始めるベンダかもしれません。

mbedでも使える評価ボードの入手性も良いので、今のうちに個人レベルで習得すると、慌てずに済むお勧めMCUです。