NXP ARMコアマイコン利用メリット検証(その1)

ARM Cortex-M0搭載のLPC111xテンプレート発売で、同一ベンダNXPでのARMコアCortex-M0+からCortex-M0へのテンプレート移植が完了しました。そこで、NXP ARMコアマイコン利用のメリット/デメリットについて、数回に分けて示します。

NXP Cortex-M0+マイコンのテンプレート移植

NXP Cortex-M0+マイコンからCortex-M0マイコンへの移植
NXP Cortex-M0+マイコンからCortex-M0マイコンへの移植

同一ベンダのCortex-M0/M0+ソフトの差

一言で言うと、NXP Cortex-M0/M0+のソフト差は、殆どありません。ルネサスのRL78/G13(S2コア)とRL78/G14(S3コア)と同じ程度と言えば、RL78/G1xユーザには判っていただけるでしょう。

差がある箇所(概要)

アナログ入力は、コンパレータとADCで内蔵周辺回路が異なるため、制御ソフトは異なります。

一方、内蔵周辺回路名が同じでも、後発のLPC820では異なるものがあります。LPC820のGPIOクリアレジスタがそれで、LPC1114にはありません。これは、ソフト記述がより簡単になるように専用レジスタが追加されたと推測します。

また、テンプレートではLPCOpenライブラリの版数が異なるため、I2C関連のAPIも異なります。これは、版数が同じになれば、同一APIになると思います。敢えて、異なるAPIにする意味はないためです。対策に変換関数を自作すれば済むことですが、一方に合わせずに素のAPIをそれぞれのテンプレートに使いました。

これら差分箇所は、次回以降、詳細に示していきます。

一致する箇所

マイコンコア制御、つまりCMSISライブラリに相当する部分については、APIレベルで一致します。従って、Cortex-M0+とCortex-M0のARMコア差はソフトでは見えなくなります。

主観評価

半導体は、ムーアの法則にしたがって、微細加工とハード集積化が進みます。マイコン半導体ベンダは、市場が、動作電圧や、周辺回路などのハード互換性要求が強いため、これまではこのムーア則を、主としてハード低価格化、利益増加へ使っていたと思います。

しかし、徐々にソフト開発の要求も、この法則へ適用しつつある気がします。例えば、LPC820のGPIOクリアレジスタ追加や、ROMライブラリ追加などがそれです。これらハード追加により、従来ソフトがそのままでは使えませんが、同じ機能を、より高速、かつ簡単なソフト記述でできます。

ARM Cortex-M0+のLPC8xxシリーズは、Cortex-M0のLPC111xシリーズよりも後発であるため、これらの恩恵を受けて、より効率的なソフト開発ができます。また、従来Cortex-M0ソフト資産を活かしてM0+へ移植する際も、少ない手間でポーティングできるでしょう。

ARMコア利用メリットは、後発ハードの性能向上、既存ソフト資産の継承のし易さ、これら両者がもたらす「確実な処理能力の向上」にあると思います。機種が異なるマイコンへのソフト移植は、処理能力が本当に向上するか否かは、実際に開発完了するまでは「賭けの要素」もありました。

しかし、少なくともARMコアを使う限り、この「掛けのリスク」がかなり減るということを、今回のテンプレート移植は、M0+からM0という時間を逆に遡る方向でしたが、実感しました。

 

本記事は、同一ベンダNXPのARMコア利用のメリットを概観しました。デメリットに相当する差分の詳細は、次回以降に示します。また、別ベンダで同一ARMコアのテンプレート移植例として、freescaleのKinetis Eシリーズ/Cortex-M0+で評価します。

LPC111xテンプレート発売

ARM Cortex-M0 LPC111xテンプレート発売開始

Cortex-M0搭載のLPC111xテンプレート(LPCOpenライブラリ版)を¥1000(税込)で販売します。テンプレート概要と仕様は下記です。

LPC111xテンプレート説明資料P1
LPC111xテンプレート説明資料P1
LPC111xテンプレート説明資料P2
LPC111xテンプレート説明資料P2

テンプレートは、LED出力とSW入力のみを組込んだ「シンプルテンプレート」と、組込み必要機能をほぼ全て盛込んだ「メニュードリブンテンプレート」の2つセットで、もくじ内容の説明資料添付で¥1000です。

購入ご希望の方は、メール(宛先:info@happytech.jp)にてお知らせください。銀行振込口座を返信いたしますので、税込代金¥1000円を振込でください。入金確認後、全説明ページとテンプレートプロジェクトをメールにてお送りします。後は、ご自由にテンプレートへ変更や修正を加えて頂いて、LPC111xx習得や、本来のアプリ開発に役立てて頂ければ幸いです。

「シンプルテンプレート」は、LPCXpressoプロジェクトファイルで、LED出力とSW入力のみの機能をプログラム済みです。

「メニュードリブンテンプレート」は、シンプルテンプレートにADC、I2C EEPROM、LCD、UARTなどの組込みマイコンに必要な機能をほぼ全て実装したテンプレートです。

どちらのテンプレートもLPCXpressoLPC1114評価ボード(NXP製)mbed-Xpresso BaseBoard(NGX Technologies製)を接続し、動作確認済みです。PC接続のメニュードリブン方式のため、関数単位で移植性が高いソフトです(もくじP1動作中の写真、P5ファイル一覧、P11ハードウエア構成などを参照)。

テンプレートは、NXP/ARM社提供の最新版LPCOpenライブラリ(v2.00a)を使っています。LPC111xは、上記の他に、従来版ライブラリもありますが、本テンプレートは使っていません(もくじP7に詳細記載)。

Cortex M0マイコンのLPC1114は、8/16ビットマイコンの置換えを狙った、従来品より高性能な割込み専用回路や低消費電力、低価格が売りの、世界定番ARM32ビットマイコンです。本テンプレートと確実に動作する市販評価ボードを使えば、LPC111x習得、早期アプリ開発や評価に最適な環境が得られます。

このテンプレート対象者は、初級~中級のソフト開発者です。上級者は、これに似たテンプレートを既に持っているからです。本来は、上級者がテクニックを含む自分のテンプレートを初級~中級者へ教え、教えられた側でさらに、テンプレートに修正を加えれば、技術継承も容易です。しかし、この継承は、習得済みの者にとっては、オーバーヘッドで、未習得の者にとっては、理解困難な面が多いものです。

販売テンプレートには、詳細なもくじ資料が付いていますので、だれにでもその内容が理解できます。また、テンプレートソースには、「判りにくい英語ではなく、日本語コメント」を豊富につけていますので可読性も高いと思います。

販売テンプレート一覧

このテンプレートを含めて、3種テンプレートが各1000円(税込)販売中で、本年末にさらに1種追加予定です。

テンプレート名 対象マイコン(ベンダ) 動作ハード 備考 ブログ検索タグ 最新版リリース日
LPC111xテンプレート(Cortex-M0 LPC1114/1115 (NXP) LPCXpressoLPC1114+BaseBoard LPCOpenライブラリ使用 LPC1114 2014/09/06
LPC8xxテンプレート(Cortex-M0+ LPC8xx (NXP) LPCXpressoLPC820+BaseBoard LPCOpenライブラリ+ROMライブラリ版 LPC820 2014/05/18
RL78/G1xテンプレートV2(RL78-S2/S3コア) RL78/G13、G14 (Runesas) ・BB-RL78G13-64(V2で追加)
・G13スタータキット
・G14スタータキット
・QB-R5F100LE-TB
・QB-R5F104LE-TB
(+ブレッドボード)
CubeSuite+のコード生成API利用。BB-RL78G13-64以外は、ブレッドボード上にマイコン周辺回路製作要。 RL78/G13
RL78/G14
2014/10/10
Kinetis Eテンプレート(Cortex-M0+ Kinetis E/40MHz (freescale) FRDM-KE02Z40M+BaseBoard 【開発中】 Kinetis E 2014/12E予定

※ARM Cortex-M0/M0+マイコンの周辺回路は、BaseBoard実装済み回路を使います。
※RL78/G1xテンプレートは、周辺回路実装済みのBB-RL78G13-64(NGX Technologies製)で改版、改良を行う予定です。

本ブログは、これらのテンプレート情報や、開発Tipsなどを混載していますが、各記事にはブログ検索タグを付けています。このタグ、またはテンプレートでブログ右上のSearch:検索を実行して頂くと、タグ別表記になります。テンプレート毎の詳細記事や記載内容を個別にご覧頂く際に便利です。

テンプレートご購入者様の特典

既にテンプレートをご購入された顧客の皆様への特典として、新たに別テンプレート購入の際には、半額(500円、税込)にディスカウント致します。是非、新しいテンプレートを活用して、別マイコン開発へ挑戦して頂く際にご利用下さい。

また、ご購入頂いたテンプレートに関するご意見、ご希望なども、テンプレート改版や新テンプレート選定などへ反映させて頂きますので、既にお知らせした宛先までお寄せ下さい。

テンプレート移植(Cortex-M0+ → M0編)

ARM Cortex-M0+のLPC8xxテンプレートをCortex-M0テンプレートへ移植するに際し、使用評価ボードを比較し、既存テンプレートのどこに変更が必要かを把握します。

評価ボード比較

評価ボード LPCXpresso LPC820 REV A LPCXpresso LPC1114 REV A
ボード写真(LPC-Link部除く)

LPCXpresso LPC820
LPCXpresso LPC820

LPCXpresso LPC1114
LPCXpresso LPC1114
実装マイコン LPC820
LPC812M101JDH20 TSSOP20
LPC1114 LPC1100L(第2世代)シリーズ
LPC1114FBD48/302 LQFP48
CPUコア ARM Cortex-M0+ 30MHz(max) ARM Cortex-M0 50MHz(max)
動作電圧 1.8~3.6V 1.8~3.6V
実装水晶発振子 12MHz 12MHz
内蔵発信器 12MHz 12MHz
内蔵フラッシュ・メモリ 16KB 32KB
内蔵RAM 4KB 8KB
内蔵EEPROM なし なし
GPIO 18本(5V-tolerant I/O)
GPIO0_0~GPIO0_17
42本(5V-tolerant I/O)
GPIO0_0~GPIO0_11
GPIO1_0~GPIO1_11
GPIO2_0~GPIO2_11
GPIO3_0~GPIO3_5
アナログ入力 アナログ・コンパレータ
5ビット×1チャネル
ADC
10ビットx8チャネル
汎用タイマ 16/32ビット・タイマ(SCT)×1 16ビット・タイマ(CT16Bx)×2
32ビットタイマ(CT32Bx)×2
実装LED 3色(RED:P0_15、GRN:P0_17、BLU:P0_16) 1色(RED:P0_7)
シリアル通信 USART×1チャネル USART×1チャネル
SPI クロック同期式×1チャネル クロック同期式×1チャネル
I2C フルスペック×1チャネル フルスペック×1チャネル
消費電流
(マイコン単体)
通常時(3.3V/30MHz):3.3mA
スリープ・モード:1.8mA
ディープ・スリープ:150μA
パワーダウン・モード:0.9μA
ディープ・パワーダウン:170nA
通常時(3.3V/50MHz):7mA
スリープ・モード:5mA
ディープ・スリープ:2mA
パワーダウン・モード:なし
ディープ・パワーダウン:220nA
デバッグ機能 SWD SWD
スイッチ・マトリクス あり なし
USB なし なし

LPC820評価ボードのCortex-M0+は、Cortex-M0をさらに小型、省電力するための見直しが行われた結果、M0に比べ消費電流の少なさが際立ちます。

一方、Cortex-M0のLPC111xも、低消費電力とフラッシュ大容化の方向に進化中で、比較マイコンは、第2世代LPC1100Lシリーズです。トラ技2012年10月号掲載のLPC1114は、一つ前の第1世代でした。LPC111xには、第3世代LPC1100XLシリーズやフラッシュを64KBに増加したLPC1115などのバリエーションがあります。

しかし、このシリーズの基本は、第2世代のLPC1114 LQFP48で、シリーズ最大IOピン数の48で関連情報も多く、LPCOpenライブラリもありますので、Cortex-M0テンプレートの評価ボードは第2世代LPC1114を選びました。

なお、この評価ボードの代わりに、回路図が同じLPCXpresso LPC1115を使うこともできます。この場合の注意事項はコチラを参照して下さい。

テンプレート変更項目

テンプレートのライブラリは、LPCOpen最新版V2.xxを使用しますので、Cortex-M0+とM0のARMコア差はライブラリが収集してくれるハズです。つまり、APIがそのまま使えます。すると、テンプレート移植で変更が必要な個所は、ボード比較から差がある個所で、以下となります。

項目 変更内容
CPUコア動作周波数 30MHz動作を50MHz動作へ変更
GPIO GPIOポート番号0が0~3へ増加
アナログ入力 アナログ・コンパレータからADCへ変更
タイマ SysTickTimerは、同じものを使用するので変更なし
評価ボード実装LED 3個LED出力を1個出力へ変更
評価ボードとBaseBoardの接続 BaseBoard実装SWやその他信号線の割付変更

LPC8xxテンプレートで使ったBaseBoardは、LPC111xテンプレートでも使います。従って、BaseBoardのUART入出力、アナログ入力、LCD出力、EEPROM入出力、ブザー出力等をLPC1114評価ボードに割付けます。

こう見ると、コア動作周波数を除けば、ADCやタイマなどの周辺回路が違いますので、その制御は必要ですが、殆どIO関連です。APIが同じだと1から作るのに比べ、とても楽という気がします。M0+からM0に変わっても、既存Cortex-M0+テンプレートの殆どがそのまま使えるからです。

マイコンテンプレートの骨格

Wordには、名刺、カレンダー、パンフレットなどアプリ毎のテンプレートが用意されています。マイコンテンプレート開発時に悩むのが、どのようなアプリを意識してテンプレートを作るかです。できるだけオールマイティなテンプレートが目標です。

今回は、弊社マイコンテンプレートの骨格について説明します。

テンプレートの骨格

弊社マイコンテンプレートは、

(1)無償IDEのプログラムサイズ

(2)時分割の処理起動

(3)RAMでの関数間パラメタ渡し

(4)UARTメニュードリブン

の4つの骨格を持ちます。

(1)無償IDEのプログラムサイズ:弊社テンプレートは、IDE無償版で開発できるプログラムサイズを対象とします。これは、この程度が個人や少人数で開発/デバッグできる限界と考えるからです。これ以上大きくなると、開発/デバッグが指数的に困難となり、開発を収束させるために、例えばリアルタイムOSなどの別手段が必要になります。

最近は、無償版でも256KB程度の十分大きなサイズも開発できるようになりました。これは、IDEツールが高機能になり、API関数の自動生成や、既存ライブラリを簡単に使えるためです。これらIDE生成関数は、バグなしの完成品ですが、個人でカスタムメイドできるサイズは、今も昔もあまり変わらないと思います。経験的に無償IDEで開発できるサイズがこの上限サイズです。

(2)時分割の処理起動:マイコンは、CPUと周辺回路が「ハード的に並列動作」します。従ってCPUソフトを、周辺回路起動と処理完了確認の2つで関数化すると、複数の周辺回路を簡単に並列動作させることができます。起動から処理完了までの処理時間は、周辺回路毎に予想できますので、その間に別処理、例えばSleepをすれば電力効率もアップします。これらの処理を時分割で起動するのが弊社テンプレートです。

(3)RAMでの関数間パラメタ渡し:カスタムメイド関数のパラメタは、内蔵RAMを使って外部と入出力します。これで関数単体デバッグが簡単になります。RAM値をデバッガで確認/修正すれば、関数動作が把握できるからです。さらに、関数の中身が未完成の時でも、入出力値をRAMに設定しさえすれば、結合デバッグができるメリットもあります。

(4)UARTメニュードリブン:シリアルポートUARTを持たないマイコンはありません。Wi-FiやBluetoothモジュールをこのUARTへ接続すれば、ワイヤレス制御もできます。シリアル-USB変換ケーブルでマイコンとPCを接続し、メニュー形式で処理を選択するメニュードリブンをテンプレートに採用する理由は、2つあります。1つが、この「UARTが必ずあり、応用範囲が広い点」です。

もう1つが、メニュードリブンで開発すると「処理の移植が容易な点」です。テンプレート利用者は、メニューで示された処理のうち、必要な処理のみを簡単にテンプレートソースから見つけることができます。所望処理がUART受信コマンド解析関数から始まるからです。

そして、発見した関数(または関連関数)を、丸ごとご自身のソースへコピーすれば、動作させることができます。テンプレートは、多くの場合、この処理単位でファイル化していますので、ファイルを丸ごとコピーしさえすれば、必要な処理をテンプレートから抜き出すことも可能です。

評価ボードで実動作確認

入手性が良く低価格な評価ボードで、これらの骨格をもつテンプレートをボードへ実装し、動作確認を行い、詳細な説明資料付きで販売します。説明資料付きのテンプレートと評価ボードの組合せは、効率的に対象マイコンを習得でき、新規アプリ開発と評価に役立ちます。

販売テンプレートと開発テンプレート

現在、2種のテンプレートを販売中で、2種を年末までに開発、発売予定です。開発経過などを本ブログに記載しますので、ご参照ください。価格は、各1000円(税込)/1コピーです。

テンプレート名 ベンダ マイコン 動作確認評価ボード
RL78/G1xテンプレート Ver3 ルネサス RL78/G1x
(32MHz)
・RL78/G13 Stick
・RL78/G14 Stick
・QB-R5F100LE-TB
・QB-R5F104LE-TB
BB-RL78G13-64 (弊社推薦ボード)
LPC8xxテンプレート NXP LPC81x
Cortex-M0+
(30MHz)
・LPCXpresso LPC812  +  mX-BaseBoard
LPC1114テンプレート NXP LPC1114/5
Cortex-M0
(50MHz)
・LPCXpresso LPC1114  +  mX-BaseBoard
Kinetis/Eテンプレート(開発中) freescale Kinetis Eシリーズ
Cortex-M0+
(40MHz)
・FRDM-KE02Z40M  +  mX-BaseBoard

ARMコア利用メリットの評価

ARM Cortex-M0+コア利用のLPC8xxテンプレート発売で開発が一段落したので、Cortex-Mマイコンの現状を俯瞰して、今後の開発方針を検討します。

ARM Cortex-Mシリーズマイコンの特徴

ARM Cortex-M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-M1 FPGA組込み用マイコン
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

 

8/16ビットキラーマイコンのCortex-M0+

M0は、8/16ビットマイコンより高性能、高エネルギー効率、高密度コードを目指して開発された32ビットコア。M0+は、M0よりさらに電力効率を最適化したコア。どちらも8/16ビットマイコンの価格レベルで32ビット性能を提供中。M0+の性能は、0.93 DMIPS/MHzで、M0の0.9 DMIPS/MHzより高性能。M0+は、M0命令セットと互換性あり。ARM Cortex-M開発ツールは、Eclipseベースとすることで、ベンダが異なっても開発環境を統一。ARM提供のCMSISを使うと、Mシリーズコアとベンダハードの差を隠ぺいすることができ、ソフト流用性も高まる。

世界定番ARMマイコンの最初のテンプレート開発にCortex-M0+を選んだ理由が、上記です。

これらCortex-Mシリーズの特徴は、ベンダやマイコン機種が変わると、一から開発環境構築やその習得、コアハードの熟知が必要だった従来マイコン開発に比べ、ベンダ/機種横断的に経験や既存資産を活かしたソフト開発が期待でき、利用者側メリットが大きいことを示しています。ARM社の狙いもココでしょう。

そこで、この「ARMコア利用メリット」を実際に試すことを今後の方針とします。

NXPのCortex-M0+テンプレート → NXPのCortex-M0テンプレートへ移植

発売中のCortex-M0+/LPC8xxテンプレートは、ARMコアベンダとしては老舗のオランダ)NXPのCortex-M0+マイコンLPC820を使ったテンプレートソフトです(写真参照)。NXPは、多くのMシリーズ製品を提供中です。そこで、このM0+テンプレートをM0機種へ移植することで、「同じベンダでCortex-M0+からM0への変更時のARMコア利用メリット」を検証します。

NXPのCortex-M0+テンプレート → フリースケールのCortex-M0+へ移植

ARMコアマイコンベンダとしては後発の米)freescaleのCortex-Mマイコンは、2014年7月現在、後発ゆえに特徴がきわ立つM0+とM4の2機種を提供中です。そこで、Cortex-M0+/LPC8xxテンプレートを、フリースケール製M0+マイコンへ移植することで、「異なるベンダでCortex-M0+ソフト移植時のARMコア利用メリット」を検証します。

どちらの検証も、いろいろなマイコンを開発してきた自身の経験と比較し、「ARMコア利用メリットを享受できるか否かの主観評価」になりますが、ARM社の狙いが絵にかいた餅なのか、本当に役立つのかの参考になると思います。

テンプレート移植
テンプレート移植

なお、別途販売中のルネサスRL78/G1xテンプレートは、コチラを参照して下さい。