Cortex-M0+コアアーカイブ - IoT MCUのHappyTech

64ビットMCU得失

2022年11月11日2022年11月12日 WithHappy

今年春の3月2日、ルネサスが64ビットRISC-Vコア搭載の汎用MPU：RZ-Fiveを発表しました（!=MCU）。

本稿は、RISC-Vの簡単な紹介と、MCUの64ビット化得失についてまとめました。

RISC-V

リスクファイブ（RISC-V）は、2010年にカルフォルニア大学バークレイ校（2022年世界大学ランキング第4位）で開始されたプロジェクト。オープン標準命令セットアーキテクチャ（ISA）でオープンソースライセンス。使用料無料。用途に応じた32/64/128ビット対応アーキテクチャで、RISC-Vチップや派生成果物の作成も許可。（Wikipediaより）。

ルネサスなどのMPU/MCUチップ製造側にとっては、ARMコアベースに比べ、ライセンス料が無く競合他社差別化や独自性も出し易いのがRISC-Vコアと言えそうです。※RZファミリには、ARMコア（Cortex-A55とCortex-M33ディアルコア）のRZ/G2ULもあるため、ArmベースMPUが最初の右グラフに記載。

日経xTECH記事（2022-09-13）によると、ルネサス以外にも、既に多くのRISC-V利用MPUや32ビットMCUが発表されています。RISC-V CPU搭載ノートPCも販売中です。

IoT MCU要件

CPUやMPUは、64ビット化が進んでいます。Windows 11は、32ビット対応版がありません。また、ルネサスRZ-Five同様、NXPやSTマイクロでもMPUは全て64ビットです。

これは、CPU/MPUに要求されるセキュリティ機能や性能を満たすには、先行するサーバやデータセンタで開発したソフトウェア資産の移植が、64ビットの方が容易だからです。

一方、MCUは、性能・機能の向上と消費電力増加のバランスが、MPUに比べ重視されます。MCU設置個数は、MPUよりも桁違いに多いため既存MCU資産を活かすバイアスが働くためです。最初の右側グラフで、16ビットRL78が低消費電力の代表として表示されていることからも解ります。

このバランスのため現状のIoT MCU主流は、32ビットMCUです。

しかし、MCU製造プロセス改良や、電力供給の世界情勢、自動車ADASと半導体供給状況などにより、IoTセキュリティ機能への要求や、低消費電力への要求バランスは大きく変わる可能性もあります。場合よっては、CPU/MPU同様、64ビットMCUがIoTに適すかもしれません。

アクティブ消費電力とスリープ消費電力両方を減らせるSOTBプロセス（出典：ルネサスサイト）

関連投稿：ルネサスのMCU新製造プロセス SOTB

また、IoT必須のRTOSをMCUへ適用する場合には、32ビットカウンタでは、タイマー満了周期が短い問題も指摘されています。

結論：64ビットMCU見通し

既存MCU資産（特にソフトウェア）をそのまま活かしMCU性能を上げるには、同一コア高速化が適します。一方、サーバやデータセンタのセキュリティ機能移植を考えると、64ビットMCUも有力です。また、IoT MCUのRTOS開発時は、32ビットカウンタの短さに注意が必要かもしれません。

ビット幅を意識することは、Cなどの高級言語でMCU開発する限り稀です。しかし、RTOS開発時や更なる性能・機能向上（例えばエッジAI）、効率的セキュリティ導入を求める時は、32ビットMCU限界が現れることもあり得ます。

アーキテクチャ変更で得るものと失うものバランス、トータル開発コスト、これらが次世代IoT MCUを決めます。今後主流のIoT MCUが32/64ビットいずれになるかは、流動的です。だからこそ、最新IoT MCUやMPU、RISC-V動向を注意深く観察する必要があるというのが結論です。

クリエイタ的エンジニア

2022年11月4日 WithHappy

エンジニアには、「作業的な人」と「クリエイタ」の2種類が存在。クリエイタ的エンジニアが、New Worldを作っていく。（その３より）

2030年向け先進テクノロジとの正しい付き合い方について、元ソニーCIO（最高情報責任者）、現在はガードナージャパン）エグゼクティブプログラムシニアアドバイザーエグゼクティブパートナーの⻑⾕島眞時⽒と、ガードナージャパン）アナリストの亦賀忠明⽒の全3回対談記事（2022-10-28、ZDNET Japan）で、筆者が最も印象に残った箇所です。

ごく簡単に内容を抜粋し、クリエイタ的エンジニアへと成長するための記事提言をまとめました。

対談は、マネジメントとエンジニア双方への提言です。本稿は、読者の多いエンジニアに絞って抜粋しました。対談全文は、その１、その２、その３をご覧ください。

2030年のNew WorldとスーパーパワーAPI

2022年のテクノロジは江戸時代。2030年のテクノロジは、スーパーパワーを持つNew Worldへ劇的変化。

2022年令和4年の現在を、手作業、企業論理中心の江戸時代と呼び、テクノロジ変化がもたらす2030年は、ハイブリッド・ワーク、メタバース、スーパーパワーAPIの新しい時代、これがNew Worldです。

わずか8年間で、テクノロジは、江戸時代から劇的に進化し「全く別のNew World」になります（その１）。

スーパーパワーとは、進化により想像を絶する能力をデジタルテクノロジが持つこと、そして2030年以降は、このスーパーパワーを使いこなせる企業と、そうでない企業が、明確に別れると予想しています（その２）。

スーパーパワーAPIを使ったモノづくりができるエンジニアと企業がNew Worldを作る、と結論しています（その３）。

※スーパーパワーAPI：多様化、高度化した進化テクノロジ境界がAPI（application programming interface）。様々なテクノロジ個々の深い理解は困難だが、API経由での利用は可能。つまり、1つのテクノロジ領域スキルを磨けば、他領域スーパーパワーを利用することは、比較的容易。

自分事、主体的に考える

短期間で劇的変化するNew Worldへは、人も、金も、時間も、他人事、もしくは当事者意識に欠けていては対応できません。

初めから完璧にやる必要はなく、これまで以上にアンテナの感度を上げ、注意深く、主体的に探索し、自ら的確にアクションすることが重要です（その２）。

作業的とクリエイタ的エンジニア

これまでは、決められた作業を的確にこなせる作業的エンジニアが求められました。これらの作業は、自動化やAI、さらにハイパーオートメーションが、とって代わります。

New Worldでは、いろいろな想像・発想ができ、創造ができる「クリエイタ的エンジニア」が活躍する時代です（その３）。

まとめ：クリエイタ的エンジニアは1日にしてならず

2030年向け先進テクノロジとの正しい付き合い方の記事は、対談形式のため長文です。盛りだくさんな内容の中から、エンジニア向け提言を抽出しました。

テクノロジが急変、高度化、多様化する時代は、初めから完璧を目指すより継続的改善を行い、主体的に2030年New Worldスキルを持つクリエイタ的エンジニアになれ、と提言しています。

「ローマは一日にして成らず」、クリエイタ的エンジニアも同じです。

2030年はすぐそこです。あせりは禁物ですが、できない理由を考える暇があるなら、できることを認識・判断・実行し、クリエイタ的エンジニアへの第1歩としましょう。

筆者個人は、IoT MCU RTOSテンプレート開発を最初の目標とします。

Azure RTOS習得(6)：低電力動作

2022年7月8日2022年7月15日 WithHappy

STM32G4評価ボードのAzure RTOS低電力動作サンプルコード：Tx_LowPowerは、現在正常に動作しません。原因は、Stop1モード開始/Run復帰処理であることは判りました（下表の青部分）。

そこで、この低電力モード開始/復帰処理を、VCPメッセージ出力へ変更、低電力動作は保留し、Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法と低電力動作の流れを説明します。

処理名	処理内容：低電力動作（LD2：評価ボード単体）	優先度	プリエンプション閾値
メインスレッド	1) セマフォ取得を永遠に待つ 2) 取得時LD1 500ms点滅を10回実施	10	10
S1プッシュ割込み	セマフォカウンタ=0時、セマフォ放出	–	–
Enter_LowPower_Mode	Stop1モード開始処理 ➡ VCPメッセージ出力	–	–
Exit_LowPower_Mode	Runモード復帰処理 ➡ VCPメッセージ出力	–	–

まとめ

STM32G4評価ボードのAzure RTOS低電力動作サンプルコード：Tx_LowPowerは、Stop1モード開始/Run復帰に問題があり正常動作しません。

そこで、Stop1モード開始/復帰処理を保留にし、Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法と低電力動作の流れを説明しました。

Azure RTOSプロジェクトで低電力動作させるには、STM32CubeMXのConfiguration ThreadXタブLow PowerのEnter LowPower SupportとTX_LOW_POWER_TICKNESSをEnableにするだけです。

Enable後、CubeMX生成のApp_ThreadX_LowPower_Enter/Exitの中身：Enter/Exit_LowPower_Modeへ、STM32G4低電力動作7モードの設定/Run復帰処理を記述すれば、Azure RTOS低電力動作ができます。

Tx_LowPower動作

サンプルコード：Tx_LowPower の正常な動作が下記です。

1) S1プッシュでLD1が10回点滅後、Enter_LowPower_Mode実行しStop1停止
2) S1プッシュ割込処理でExit_LowPower_Mode実行しRun復帰

つまり、S1プッシュ毎にLD1が10回点滅し、その後、低電力Stop1モードで待機します。Stop1状態表示はありません。

Stop1モード動作の代わりにVCPメッセージ出力が下記です。S1プッシュでLD1が10回点滅、点滅中はVCPメッセージ出力無しです。違いは、Stop1モード動作有無です。

「非」動作対策の保留（NOP）

STM32CubeMXは、プログラムフレームワーク生成に優れています。Enter/Exit_LowPower_Mode内容のみを変更すれば、Stop1以外のStop2モードやSleepモードへの低電力動作変更が簡単にできます。

ちなみに、筆者は、Sleepモードへも挑戦しましたが、正常動作はしませんでした。
※Enter/Exit_LowPower_Mode正常化をご教授頂ける方は、メールを頂けると助かります。

そこで、このEnter/Exit_LowPower_Mode処理は、一旦、保留（NOP）とします。

Tx_LowPowerが正常化した後、改めて保留にしたEnter/Exit_LowPower_Mode処理を入れ替えれば済むからです。現状は、NOPの代わりにVCPメッセージ出力処理を選びました。

この保留対策で、Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法と低電力動作の流れ理解の段階へ進めます。

Azure RTOS低電力動作プロジェクト作成方法

低電力動作有りと無しのプロジェクト作成差は、CubeMXのConfiguration ThreadXタブのLow Powerを開き、Enter LowPower SupportとTX_LOW_POWER_TICKNESSをEnableにするだけです。

App_ThreadX_LowPower_EnterとApp_ThreadX_LowPower_Exitは、CubeMXが生成する関数名です。この両関数の中身が、我々が開発するEnter/Exit_LowPower_Mode関数です。

つまり、Enter/Exit_LowPower_Mode中身を変えれば、その他の部分はそのままで、様々な低電力動作、例えばSleepやStop2へ対応できる作りになっています。フレームワーク生成に優れるSTM32CubeMXの利点です。

低電力動作の流れ

全てのスレッドが、待機状態になると、App_ThreadX_LowPower_Enterとその中身Enter_LowPower_Modeが実行されます。その結果、例えば、Sleepが低電力動作の場合には、MCUコアSleep＋周辺回路動作になります。

割込み発生でApp_TreadX_LowPowerとその中身Exit_LowPower_Modeが実行されRun復帰、最優先スレッドが実行されます。

この低電力動作に関して、公式Azure RTOSサイトに記述は有りません。低電力動作は、個別MCU依存のためでしょう。

STM32G4低電力動作モード

STM32G4の7つの主要低電力モード（出典：STM32G4 - PWR） — STM32G4の7つの主要低電力モード（出典：STM32G4 – PWR）

そこで、STM32G4の低電力動作をまとめました。元資料は、STM32G4 – PWRとLPTIMです。

STM32G4は、7種の低電力動作モードをサポートしています。Runウエイクアップ時間が11サイクルと短く、電力低減効果も高いSleepが筆者のお勧めです。

サンプルコードのEnter/Exit_LowPower_Mode処理が複雑なのは、更に効果の高いStop1だからです。

サンプルコード対応

・サンプルコードが無い時は、他の評価ボードから流用。
・サンプルコードに問題ありの時は、当該処理をNOP化、サンプルが示す内容取得。

サンプルコードは、開発TipsやKnow Howの宝庫です。しかし、残念ながら付属説明は、最低限です。説明するとキリが無いからです。そこで、弊社は、ベアメタル開発経験がある方を対象に、少し丁寧に説明を追加したつもりです。

サンプルコードと評価ボードさえあれば、実際にMCU動作が確認ができ、1から10まで記載の分厚いユーザマニュアルを読むよりも、手軽で効率的にMCU開発ができます。

サンプルコードにも、トラブルがあります。STM32G4評価ボード：NUCLEO-G474REを使ったAzure RTOS習得(2)～(5)用のサンプルコード対応をまとめたのが、本章最初の2行です。また、(2)～(5)で使ったサンプルコード名と内容が下表です。

サンプルコード名	サンプル内容（詳細リンク先参照）	備考
AzureRtos0	汎用Azure RTOSプロジェクト作成	NUCLEO-G474RE＋Arduinoプロトタイプシールド動作
AzureRtosEventFlag	スレッド間イベントフラグ同期	STM32G4サンプル流用動作
AzureRtosQueue	スレッド間キューメッセージ送受信	NUCLEO-G0B1RE流用動作
AzureRtosMutexSema	ミューティックス/バイナリセマフォ排他制御	STM32G0C1E-EV流用動作
AzureRtosLowPower	低電力動作プロジェクト作成（本稿）	STM32G4サンプル非動作

最近のMCU開発は、HAL（Hardware Abstruction Layer）API利用のため、サンプルコード流用が簡単です。個別MCUハードウェアに依存しないためです。

便利なサンプルコードを活用すれば、効率的なMCU開発ができます。更に、複数サンプルコードを流用し、プロトタイプの早期開発が容易な弊社MCUテンプレートを使えば、開発効率は上がります。

STM32G4評価ボードとArduinoプロトタイプシールド、LCDやADC動作のBaseboardを使ったST版Azure RTOSテンプレート（仮名）は、年内開発予定です。NXP版FreeRTOSテンプレートは、コチラで販売中です。

Azure RTOSやFreeRTOSは、IoT MCU開発に必要です。ベアメタルLチカ理解に相当するRTOS機能コンポーネントの習得、個人レベルで初めてはいかがでしょう。

Azure RTOS習得(5)：Mutexとセマフォ

2022年6月24日2022年7月1日 WithHappy

Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォを使ったプロジェクトを作成し、スレッド間の排他制御方法を説明します。Azure RTOSでは、ミューテックスとバイナリセマフォが、同じ機能であることも判ります。

先にまとめ、次に詳細の順で説明します。

まとめ

Azure RTOS排他制御には、ミューテックスやリソースアクセス数1のバリナリセマフォが使われます。

STM32G4評価ボードにミューテックスとバリナリセマフォサンプルコードが無いため、STM32G0C1E-EVのTx_Thread_Syncサンプルコードを流用し、AzureRtosMutexSemaプロジェクトを作成しました。

作成したAzureRtosMutexSema プロジェクトを使い、Azure RTOS排他制御を、STM32G4評価ボードにArduinoプロトタイプシールドを追加し、ミューテックスは、バイナリセマフォと同じ動作結果をもたらすことを示しました。

リソースアクセス数2以上のカウントセマフォは、排他制御だけでなくイベント通知にも使えますが、優先度逆転など注意事項もあります。

本稿説明のAzure RTOS APIは、下記です。

・ミューテックス/セマフォ取得：tx_mutex / semaphore_getと、TX_NO_WAIT
・ミューテックス/セマフォ開放：tx_mutex / semaphore_put
・スレッド処理中断：tx_thread_sleepと、コンテキストスイッチ
・セマフォ優先度の逆転、ミューテックス優先度の継承と、TX_INHERIT / TX_NO_INHERIT

単純なAzure RTOS排他制御は、ミューテックス利用が良さそうです。

STM32G4 Azure RTOSサンプルコード探し

STM32G4（Cortex-M4/170MHz）評価ボード：NUCLEO-G474REへのAzure RTOSサンプルコードは、現在3個、この中にミューテックスやセマフォを使うサンプルコードはありません。

対策は、キューサンプルコードの前稿と同じです。CubeIDEのInformation Centerℹ️でImport STM32CubeMX exampleをクリックし、Example SelectorタブでThreadXにチェックを入れて流用できるサンプルコードを選定します。

選定したSTM32G0C1E-EVのTx_Thread_Suncコードを、STM32G4へ流用します。

STM32G4 Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォサンプルコードの探し方

Tx_Thread_Syncプロジェクト

ミューテックスやセマフォは、スレッド間の排他制御に用います。しかし、サンプルプロジェクト名は、“Sync”：同期となっていて違和感があります。

サンプルプロジェクトのreadme.htmlを読むとミューテックスとバリナリセマフォを使っていますので、ミューテックスとバイナリセマフォの排他制御利用例であることは、間違いありません。

サンプルの2つのスレッドは、それぞれLED点灯の独立した制御です。プロジェクトが示したいのは、LED点灯の直列制御、この直列化のため、ミューテックス、または、バイナリセマフォを同期手段として用いたからと筆者は、解釈しました。

つまり、手段のミューテックスやバイナリセマフォよりも、制御結果からプロジェクト名を付けたのだと思います。

面白いのは、このTx_Thread_Syncは、1プロジェクト内で、ミューテックスとバイナリセマフォをマクロで切替え、両者が同じ結果をもたらすことを示している点です（最初のVCP出力参照）。

しかしながら弊社は、Azure RTOSの排他制御手段でのプロジェクト名や日本語コメントを付けます。

AzureRtosMutexSemaプロジェクト

下表が、Tx_Thread_Syncの処理内容です。STM32G4評価ボード：NUCLEO-G474REとArduinoプロトタイプシールド用に、赤の工夫を加えました。

スレッド名

処理内容：スレッド1/2のLED点灯排他制御

（LD2：評価ボード単体＋
Arduinoプロトタイプシールド）

優先度

プリエンプション閾値

スレッド1

1) 排他オブジェクト取得確認
2) 成功時LED1 500ms/5秒トグル後、オブジェクト開放
3) 失敗時排他オブジェクト取得待ち

スレッド2

1) 排他オブジェクト取得確認
2) 成功時LED2 500ms /5秒トグル後、オブジェクト開放
3) 失敗時排他オブジェクト取得待ち

排他オブジェクトは、マクロでTX_MUTEX定義済みならミューテックス、未定義ならバイナリセマフォ利用に変更できます。

AzureRtosMutexSemaプロジェクト作成

AzureRtosMutexSemaプロジェクト作成方法も、AzureRtosEventFlagの時と同じです。

汎用テンプレートAzureRtos0をコピー＆別名AzureRtosMutexSemaでペーストし、AzureRtosMutexSemaプロジェクトを作成します。ペースト先のAzureRtos0.icoは、AzureRtosMutexSema.icoへRenameします。

これで、AzureRtosMutexSemaプロジェクトのひな型ができました。

STM32G0C1E-EV のTx_Thread_Syncコードapp_threadx.c/hを流用し、AzureRtosQueueプロジェクトの、app_threadx.cとapp_threadx.h へ追記します。追記コードの一部抜粋が下記です。

app_threadx.c追記例

app_threadx.h追記例

Azure RTOSミューテックスとバイナリセマフォ

サンプルコードは、ミューテックスがデフォルト利用ですので、Azure RTOSミューテックスで説明します。

スレッド1/2は、優先度、プリエンプション閾値ともに同じです。

しかし、スレッド1を先に生成し即実行（TX_AUTO_START）しますので、常にスレッド1が排他オブジェクト：ミューテックスを先に取得（tx_mutex_get）し、LED1トグル点灯を5秒間続けます。5秒経過後、ミューテックスを開放(tx_mutex_put)し、1ティックの10msスリープ（tx_thread_sleep）します。この処理を繰返します。

スレッド2は、開始後オブジェクト：ミューテックス取得を狙いますが、スレッド1取得済みのため待ち無し（TX_NO_WAIT）で取得狙いを繰返します。スレッド1のミューテックス解放で、ミューテックスを取得し、LED2トグル点灯を5秒間続けます。5秒経過後、ミューテックスを開放し、10msスリープするのは、スレッド1と同じです。

ミューテックスオブジェクトにより、スレッド1/2が排他動作します。

ここで、ミューテックス解放後の1ティックスリープは重要です。このスリープが、スレッド1/2のコンテキストスイッチを行います。試しにスリープをコメントアウトすると、排他制御が働きません。

app_thread.x.h L60のマクロUSE_TX_MUTEXをコメントアウトすると、バイナリセマフォ（tx_semaphore_get/tx_semaphore_put）を使ってミューテックスと同じ動作結果が確認できます。

Azure RTOSサイトのカウントセマフォを読むと、カウントセマフォは、排他制御だけでなくイベント通知にも使用可能です（前稿キューイベントチェーンがその利用例）。また、デットロックやスレッド優先度の落とし穴、“優先度の逆転”（Priority Inversion）などの利用時注意事項もあります。

排他制御だけなら、ミューテックス利用がシンプルで良さそうです。但し、“優先度の逆転”対策の“優先度の継承”（Priority Inheritance）オプション:TX_INHERITが必要です。サンプルコードは、TX_NO_INHERITです。

※優先度の逆転、優先度の継承を試すには、スレッド1/2以外の第3のスレッドが必要です。第3スレッドは、スレッド1/2の中間の優先度と、1/2排他制御とは無関係なことも必要です。この逆転、継承もRTOSらしい機能ですが、サンプルコード実装は無く、各自でお試しください、ということでしょう。

ミューテックス/バイナリセマフォ排他制御の結果、ArduinoプロトタイプシールドのLED1とLED2が、交互に点滅を繰返すことが確認できます。

オリジナルプロジェクト名：“Sync”が示すようにLED1/2は同期して交互点滅している、と記述することも可能です。

RTOS文章直列記述→並列動作マッピング

本サンプルコードは、わずか2個スレッドです。それでも、RTOS処理を文章で記述する難しさを感じます。文章は、動作を「直列」で記述することが得意だからです。

RTOS処理は、複数のスレッドが「並列」に動作します。勿論、シングルコアで時分割動作なので、実際に動作しているのは、RTOSを含め1個です。ですが、これを判り易く文章化するのは、結構難しいことです。

例えば、本稿スレッド1/2のtx_thread_sleepです。開発者同士なら、ソースコードを見せれば、それで事足ります。しかし、そもそもRTOS理解レベルが不明の顧客へ、スリープの目的や意味を説明しても、判ってもらえるでしょうか？

RTOS開発は、開発アプリの顧客向け資料作成でも苦労しそうです😭。

RTOS習得には、公式サイト文章記述の各種RTOS機能を、サンプルコードへ変換後、さらに、個々の開発者が、サンプルコードと評価ボードを使って「納得するまで色々変えてみること」が必要だと思います。

この試行で、直列記述の文章で表現されたRTOS動作が、開発者の中でRTOS並列動作へマッピングされます。RTOS習得・開発には、並列動作マッピングの過程が最重要だと思います。

Azure RTOS習得(4)：メッセージキュー

2022年6月17日2022年6月24日 WithHappy

Azure RTOSのキューを使ったプロジェクトを作成し、スレッド間のメッセージ送受信方法を説明します。メッセージキューは、比較的判り易い機能です。先にまとめ、次に詳細の順に説明します。

まとめ

Azure RTOSのスレッド間メッセージ送受信には、キューが用いられます。

STM32G4評価ボードのAzure RTOSメッセージキューサンプルコードが無いため、NUCLEO-G0B1REのTx_Thread_MsgQueueサンプルコードを流用し、AzureRtosQueueプロジェクトを作成しました。

作成したAzureRtosQueueプロジェクトを使い、基本的なAzure RTOSメッセージキュー機能を、STM32G4評価ボードにArduinoプロトタイプシールドを追加し説明、動作確認しました。

本稿説明のAzure RTOS APIは、下記です。

・メッセージキュー作成：tx_queue_create
・メッセージキュー送信：tx_queue_send
・メッセージキュー受信：tx_queue_receiveと、TX_NO_WAIT / TX_WAIT_FOREVER
・メッセージキュー送信時通知：tx_queue_send_notifyと、キューイベントチェーン

複数のQメッセージを受信スレッドで処理し、かつ、メッセージ無しの時、受信処理を中断する場合は、Azure RTOSキューイベントチェーン（Queue Event chaining）機能が効果的です。