MCUの5V耐圧ピン

2020年6月12日2020年6月19日 WithHappy

弊社FreeRTOS習得ページで使う評価ボード：LPCXpresso54114（Cortex-M4/100MHz、256KB Flash、192KB RAM）は、FreeRTOSだけでなく、Mbed OSやZephyr OSなどオープンソース組込みRTOSにも対応しています。多くの情報がありRTOSを学ぶには適した評価ボードだと思います。

LPCXpresso54114 Board power diagram（出典：UM10973に加筆）

さて、このLPCXpresso54114の電圧ブロック図が上図です。MCUはデフォルト3.3V動作、低電力動作用に1.8Vも選択可能です。一方、Arduinoコネクタへは、常時5Vが供給されます。

本稿は、このMCU動作電圧とArduinoコネクタに接続するセンサなどの動作電圧が異なっても制御できる仕組みを、ソフトウェア開発者向けに説明します。

MCU動作電圧

高速化や低電力化の市場要求に沿うようにMCU動作電圧は、3.3V → 3.0V → 2.4V → 1.8Vと低下しつつあります。同時にMCUに接続するセンサやLCDなどの被制御デバイスも、低電圧化しています。しかし、多くの被制御デバイスは、未だに5V動作が多く、しかも低電圧デバイスに比べ安価です。

例えば、5V動作HD44780コンパチブルLCDは1個500円、同じ仕様で3.3V動作版になると1個550円などです。※弊社マイコンテンプレートに使用中のmbed-Xpresso Baseboardには、5V HD44780コンパチブルLCDが搭載されています。

レベルシフタ

異なる動作電圧デバイス間の最も基本的な接続が、間にレベルシフタを入れる方法です。

TI）TXS0108E：8ビットレベルシフタモジュールの例で示します。低圧A側が1.8V、高圧B側が3.3Vの動作図です。A側のH/L電圧（赤）が、B側のH/L電圧（緑）へ変換されます（双方向なので、B側からA側への変換も可能です）。

8ビットレベルシフタTXS0108Eのアプリケーション動作（出典：TI：TXS0108Eデータシート）

レベルシフタ利用時には、電圧レベルの変換だけでなく、データレート（スピード）も重要です。十分なデータレートがあれば、1.8VのH/L波形は、そのまま3.3VのH/L波形へ変換されますが、データレートが遅いと波形が崩れ、送り側のH/L信号が受け側へ正確に伝わりません。

例えば、LCD制御は、複数のLCDコマンドをMCUからLCDへ送信して行われます。データレートが遅い場合には、コマンドが正しく伝わらず制御ができなくなります。

MCUの５V耐圧ピン：5V Tolerant MCU Pad

LPCXpresso54114のGPIOピンには、5V耐圧という属性があります。PIO0_0の[2]が5V耐圧を示しています。

LPCLPCXpresso54114の5V耐圧属性（出典：5411xデータシート）

5V耐圧を簡単に説明すると、「動作電圧が3.3/1.8V MCUのPIO0_0に、5Vデバイスをレベルシフタは使わずに直接接続しても、H/L信号がデバイスへ送受信できる」ということです。または、「PIO0_0に、1ビットの5Vレベルシフタ内蔵」と解釈しても良いと思います。

※ハードウェア担当者からはクレームが来そうな説明ですが、ソフトウェア開発者向けの簡単説明です。クレームの内容は、ソフトウェア担当の同僚へ解説してください😌。

全てのGPIOピンが5V耐圧では無い点には、注意が必要です。但し、ArduinoコネクタのGPIOピンは、5V耐圧を持つものが多いハズです。接続先デバイスが5V動作の可能性があるからです。

また、I2C/SPIバスで接続するデバイスもあります。この場合でも、MCU側のI2C/SPI電圧レベルとデバイス側のI2C/SPI電圧レベルが異なる場合には、レベルシフタが必要です。MCU側I2C/SPIポートに5V耐圧属性がある場合には、GPIO同様直接接続も可能です。

I2Cバスは、SDA/SCLの2本制御（SPIなら3本）でGPIOに比べMCU使用ピン数が少ないメリットがあります。しかし、その代わりに通信速度が400KHzなど高速になるのでデータレートへの注意が必要です。

LPCXpresso54114以外にも5V耐圧ピンを持つMCUは、各社から発売中です。ちなみに、マイコンテンプレート適用のMCUは、6本の5V耐圧GPIOを使ってmbed-Xpresso Baseboard搭載5V LCDを直接制御しています。

mbed-Xpresso Baseboard搭載5V HD44780コンパチLCDの3.3V STM32G071RB直接制御例

5V耐圧MCUデータシート確認方法

MCUのGPIOやI2C/SPIを使って外部センサやLCDなどのデバイスを制御する場合、下記項目を確認する必要があります。

MCU動作電圧と被制御デバイス動作電圧は同じか？
MCU動作電圧と被制御デバイス動作電圧が異なる場合、外付けレベルシフタを用いるか、またはMCU内蔵5V耐圧ピンを用いるか？
MCU内蔵5V耐圧GPIOやI2C/SPIを利用する場合、そのデータレートは、制御に十分高速か？

5V耐圧ピンは、使用するMCU毎に仕様が異なります。MCUデータシートは、英語版なら「tolerant」、日本語版なら「耐圧」で検索すると内容確認が素早くできます👍。

MCU動作電圧と接続デバイス動作電圧が異なっても、MCUのH/L信号が被制御デバイスへ正しく伝わればデバイスを制御できます。

MCU動作電圧に合わせたデバイス選定やレベルシフタ追加ならば話は簡単ですが、トータルコストや将来の拡張性などを検討し、5V耐圧ピンの活用も良いと思います。

NXPのFreeMASTER

2020年6月5日2020年7月18日 WithHappy

FreeMASTERは、NXP組込みMCUのアプリケーションのリアルタイム変数モニタと、モニタデータの可視化ツールです。関連投稿：STマイクロエレクトロニクスのSTM32CubeMoniterとほぼ同じ機能を提供します。

NXP資料FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview を使ってFreeMASTERの特徴を示します。

FreeMASTERとIDEデバッガ機能差

FreeMASTERと、開発者が普段使うIDEデバッガとの差が一目で解る図がP13にあります。

FreeMASTERとデバッガの違い（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）

両者の機能境界が、ソースコードのデバッグ機能です。IDE（MCUXpresso IDE）でも変数ロギングやグラフ化機能はありますが、プログラム開発者向けの最低機能に絞ったものです（limited functionality）。

これに対し、FreeMASTERは、msec分解能のグラフ化と、μsec分解能のデータ取得が可能です。更に取得データを利用し、Field-tune parametersやRemote controlなど多くの機能を持つツールです。データの取得は、MCU実装のUARTやUSB、SWD経由です。

FreeMASTERを使うと、外付け制御パネルの代替やGUIアプリケーションとしても活用できます。例えば、下図のようなモータ制御パネルが、PC上でFreeMASTERソフトウェアのみで実現できる訳です。

FreeMASTERを使ったモータ制御パネル例（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）

FreeMASTER構成

Windows PCにおけるFreeMASTER構成がP20です。詳細は、P21～25に示されています。Linux PCでの構成は、P26に示したFreeMASTER Liteが使われます。

FreeMASTER Windows PC構成（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）

MCU開発トレンド：ビジュアル化と脱Windows

組込みアプリケーションのビジュアル化は、最近のMCU開発トレンドです。

MCU本体の性能を使わずに変数データを取出し、そのデータを高性能PCとプラグイン機能を利用し、データ可視化やリモート制御を実現します。本稿で紹介したNXPのFreeMASTERやSTのSTM32CubeMoniterがこのトレンドをけん引する技術です。

また、オープンソースLinux PCへのMCU開発環境移行や各社IDEマルチプラットフォーム化、つまり脱Windowsもトレンドの1つです。

上級開発者向けというイメージが強かったLinux PCですが、一般ユーザへも普及し始めました（Wikipediaより）。筆者も昨年から、MCU開発Main-PCのWindows 10とは別に、Backup-PCにLinux Mintを新規インストールし試用中です。

半年間の試用では、OSインストール、大型/定期更新、セキュリティに関してもLinux Mintの方が、Windows 10より安定感があります。

もはや現状のWindows 10では、信頼性があったWindows 7のレベルにはならない気がします。

既存Windows 10に手を加えるよりも、新OSを開発するほうが、早道で、安心してPCを利用したい一般ユーザ要求も同時に満たせるのではないでしょうか？　商業的理由は、セキュリティ対応強化とすれば、内容不明ながら大多数の納得も得られるでしょう。※あくまで、ソフトウェア開発経験者個人の見解です。

NXP新CEO Kurt Sievers氏

2020年5月28日、蘭）NXPのCEOがリチャード・L・クレマー（Richard L. Clemmer）氏から、カート・シーヴァーズ（Kurt Sievers）氏への交代発表がありました。こちらのEE Times記事に新CEOカート・シーヴァーズ氏の経歴や、米中貿易摩擦下でのNXP中国分析などが示されています。

欧州MCUベンダNXPのアフターCOVID-19への布石、さすがに早いです。

MCUベンダAPI生成ツール比較

2020年2月28日2020年3月6日 WithHappy

お知らせ

弊社サイト：マイコンRTOS習得を2020年版へ改版しました。前稿までのFreeRTOSサンプルコード(1)～(5)結果を、2017年版へ反映させた結果です。是非、ご覧ください。

MCUベンダAPI生成ツール一覧

FreeRTOSサンプルコード(1)で予告したベンダ毎に異なるAPI生成ツールやその違い、サンプルコードとの関係を説明します。本ブロブ掲載MCUベンダ5社のAPI生成ツール一覧が下表です。

MCUベンダトップシェア5社のMCU API生成ツール一覧
ベンダ	API生成ツール	ブログ掲載MCU	API生成方法
Runesas	CS+	RL78/G1x	個別ハードウェア設定
NXP	SDK	LPC111x/LPC8xx/Kinetis E/LPC5411x	MCU設定
STM	STM32CubeMX	STM32Fx/STM32Gx	個別ハードウェア設定
Cypress	PSoC Creator	PSoC4/PSoC4 BLE/PSoC4000/PSoC6	個別ハードウェア設定
TI	CCS	STM432	MCU設定

IDEとは別のAPI生成ツール専用名があり、ツール単独で更新するのが、NXP）SDK、STM）STM32CubeMXです。Runesas）CS+、Cypress）PSoC Creator、TI）CCSは、IDEにAPI生成ツールが組込まれていますので、IDE名称をAPI生成ツール欄に記載しています。
※CS+のAPI生成ツールは、単独でコード生成と呼ぶこともあります。

さて、これらAPI生成ツールには、2種類のAPI生成方法があります。

MCU設定：利用MCUを設定し、内蔵ハードウェアAPIを一括生成…NXP）SDK、TI）CCS
個別ハードウェア設定：利用内蔵ハードウェアを個別設定し、APIを生成…Runesas）CS+、STM）STM32CubeMX、Cypress）PSoC Creator

MCU設定タイプのAPI生成ツールは、全内蔵ハードウェアAPIを、ユーザ利用の有無に係わらず一括生成するため、規模が大きく、SDK（Software Development Kit）などパッケージ化してIDEへ提供されます。但し、コンパイル時に利用ハードウェアのみをリンクしてMCUへダウンロードするので、少Flashサイズでも問題はありません。

MCU設定タイプの特徴は、例えば、UART速度設定などのハードウェア動作パラメタは、APIパラメタとしてMCUソースコードにユーザが記述します。

一方、個別ハードウェア設定タイプは、UARTなどのハードウェア動作パラメタは、API生成前にGUI（Graphical User Interface）で設定し、設定後にAPIを生成します。このためユーザが、MCUソースコードのAPIに動作パラメタを追記することはありません。

API生成ツール比較

MCU設定タイプのAPI生成ツールは、使い方がMCU設定のみで簡単です。また、ハードウェア動作パラメタがMCUソースコード内にあるため、動作変更や修正もIDE上で行えますが、人手によるバグ混入の可能性も高まります。

個別ハードウェアタイプAPI生成ツールは、MCUソースコード内のAPI記述が簡素です。生成されたAPI内部に動作パラメタが含まれているからです。但し、ハードウェア動作変更には、IDEから一旦API生成ツールに戻り、APIの再生成が必要です。この場合でも、MCUソースコードは不変ですので、GUI設定にミスが無ければバグ混入は少ないでしょう。

どちらにも、一長一短があります。敢えて分類すると、ソフトウェア開発者向きが、MCU設定タイプ、ハードウェア開発者向きでTP：Test Program応用も容易なのが、個別ハードウェア設定タイプです。

個別ハードウェア設定タイプであっても、Cypress）PSoC Creatorなどは、通常パラメタはBasicタブ、詳細パラメタはAdvanceタブで分け、誰でも設定を容易にしたツールもあります。

MCUソフトウェアは、C言語によるMCU API制御です。MCU API生成ツールの使い勝手が、ソフトウェア生産性の半分程度を占めていると個人的には思います。

サンプルコード/サンプルソフトウェア

各社のサンプルコード/サンプルソフトウェアは、上記API生成ツールのMCUソースコード出力例です。

従って、サンプルコードには、出力例と明示的に判るよう多くのコメントが付加されています。初めてサンプルコードを見る開発者は、注意深くコメントを読んで、そのMCU開発の全体像を理解することが重要です。

全体像が理解済みであれば、より効率的な開発手法、例えば、（推薦はしませんが）個別ハードウェア設定タイプであっても、IDEからAPI生成ツールに戻らずに、直接MCUソースコードでハードウェア動作パラメタを変更するなどのトリッキーな使い方も可能です。

MCU開発とCOVID-19

新型コロナウイルス：COVID-19が世界的に流行しつつあり、工場閉鎖や物流への影響も出始めています。現状は治療薬が無いので、「個人の免疫力と体力」が生死の決め手です。

同時にMCU供給不足/停止など、開発への波及も懸念されます。これに対し「個人で第2のMCU開発力」を持つことが解決策を与えます。

本稿は、MCUベンダトップシェア5社のMCU API生成ツールを比較しました。MCUシェア、評価ボード価格や入手性、個人の好みなど、是非ご自分にあった比較項目で、現在利用中のMCUに代わる第2のMCU開発力を持つことをお勧めします。

第2のMCU開発力は、現行と視点が変わり利用中MCUスキルも同時に磨くことができ、様々な開発リスクに耐力（体力）が付きます。短期で効果的な第2のMCU開発力の取得に、弊社マイコンテンプレートがお役に立てると思います。

ARM MCU変化の背景

2019年12月13日2019年12月20日 WithHappy

“昨今のARM MCU事情、そして今後の方向性”という記事が、2019年11月22日TechFactoryに掲載されました。詳細は記事を参照して頂き、この中で本ブログ筆者が留意しておきたい箇所を抜粋します。その結果、ARM MCU変化の背景を理解できました。

現在のARM MCUモデル

Cortex-Mコアだけでなく、周辺回路も含めた組み合わせARM MCUモデルが、端的に整理されています。

・メインストリームは、Cortex-M4コアに周辺回路搭載
・ローパワーは、Cortex-M0+に低消費電力周辺回路搭載
・ローコストは、Cortex-M0に周辺回路を絞って搭載

例えば、STマイクロエレクトロニクスの最新STM32G0xシリーズのLPUART搭載は、ローパワーモデルに一致します。各Cortex-Mコアの特徴は、コチラの投稿の5章：Cortex-M0/M0+/M3の特徴などを参照してください。

ARM MCUの新しい方向性

2019年10月時点で記事筆者：大原雄介氏が感じた今後のARM MCU方向性が、下記4項目です。

ハイエンドMCU動作周波数高速化、マルチコア化
RTOS普及
セキュリティ対応
RISC-Vとの競合

以下、各項目で本ブログ筆者が留意しておきたい箇所を抜粋します。

1．ハイエンドMCU動作周波数高速化、マルチコア化

動作周波数高速化は、NXPのi.MX RT 1170のことで、Cortex-M7が1GHzで動作。i.MX RT1170は400 MHz動作のCortex-M4も搭載しているディアルコアMCU。

これらハイエンドMCUの狙いは、性能重視の車載MCU比べ、コスト最重視の産業機器向け高度GUIやHMI：Human Machine Interface用途。従来の簡単な操作パネルから、車載のような本格的なGUIを、現状の製造プロセスで提供するには、動作周波数の高速化やマルチコア化は必然。

2．RTOS普及

普通はベアメタル開発だが、アプリケーション要件でRTOS使用となり、ポーティング例は、Amazon FreeRTOSが多い。マルチコアMCUでは、タスク間同期や通信機能実現には、ベアメタルよりもRTOS利用の方が容易。また、クラウド接続は、RTOS利用が前提となっている。

3．セキュリティ対応

PAS：Platform Security Architectureというセキュリティ要件定義があり、これが実装済みかを認証するPSA Certifiedがある。PAS Certified取得にはTrustZoneを持つATM v8-MコアCortex-M23/33が必須ではなく、Cortex-M0やＭ4でも取得可能。但し、全MCUで取得するかは未定で、代表的なMCUのみになる可能性あり。

4．RISC-Vとの競合

ARM CMSISからずれるCustom Instruction容認の狙いは、競合するRISC-Vコアへの対抗措置。RISC-V採用製品は、中国では既に大量にあり、2021年あたりに日本でもARMかRISC-Vかの検討が発生するかも？

ARM MCU変化背景

本ブログ対象の産業機器向けMCUの1GHz動作や、ディアルコアMCUの狙いは、ADAS（先進運転支援システム）が引っ張る車載MCU＋NVIDIA社などのグラフィックボードで実現しつつある派手なGUIを、10ドル以下のBOM：Bill Of Matrixで実現するのが目的のようです。また、産業機器向のMCUのAIへの対応も気になる点です。これにら向け、各種ツールなども各ベンダから提供されつつあります。

ハイエンドMCU開発でRTOS利用が一般的になれば、下位MCUへもRTOSが利用される場面は多くなると思います。タクス分離したRTOSソフトウェア開発は、タスク自体の開発はベアメタルに比べ簡単で、移植性や再利用性も高いからです。ベアメタル開発は、RAMが少ない低コストMCUのみになるかもしれません。

RTOS MCU開発も、Windowsアプリケーション開発のようにOS知識が（無く!?）少なくても可能になるかもしれません。

MCUベンダのセキュリティ対応は、まだ明確な方針が無さそうです。RTOSと同様、IoTアプリケーション要件がポイントになるでしょう。総務省による2020年4月以降IoT機器アップデート機能義務化予定などもその要件の1つになる可能性があります。

Custom Instructionは、コチラの投稿の5章でベンダ独自のカスタム命令追加の動きとして簡単に紹介しましたが、その理由は不明でした。これが、競合RISC-Vコアへの対抗策とは、記事で初めて知りました。

本ブログ記事範囲を超えた、広い視野でのMCU記事は貴重です。

来年開発予定のベアメタルCortex-M4テンプレートへ、RTOSの同期や通信機能を簡易実装できれば、より役立ち、かつRTOS普及へも対抗できるかもしれないと考えています。クラウド接続IoT MCUは、Amazon FreeRTOSやMbed OS実装かつ専用ライブラリ利用が前提なのは、ひしひしと感じています。

MCUプロトタイプ開発のEMS対策とWDT

2019年12月6日2020年1月12日 WithHappy

ノイズや静電気によるMCU誤動作に関する興味深い記事がEDN Japanに連載されました。

どのノイズ対策が最も効果的か？ EMS対策を比較【準備編】、2019年10月30日
最も効果的なノイズ対策判明！ EMS対策を比較【実験編】、2019年11月29日

EMS：（ElectroMagnetic Susceptibility：電磁耐性）とは、ノイズが多い環境でも製品が正常に動作する能力です。

MCUプロトタイプ開発時にも利用すべきEMS対策が掲載されていますので、本稿でまとめます。また、ノイズや静電気によるMCU誤動作を防ぐ手段としてWDT：Watch Dog Timerも説明します。

実験方法と評価結果

記事は、インパルスノイズシュミレータで生成したノイズを、EMS対策有り/無しのMCU実験ボードに加え、LED点滅動作の異常を目視確認し、その時点のノイズレベルでEMS対策効果を評価します。

評価結果が、11月29日記事の図5に示されています。

結果から、費用対効果が最も高いEMS対策は、MCU実験ボードの入力線をなるべく短く撚線にすることです。EMS対策用のコンデンサやチョークコイルは、仕様やパーツ選定で効果が左右されると注意しています。

MCUプロトタイプ開発時のお勧めEMS対策

MCUプロトタイプ開発は、ベンダ提供のMCU評価ボードに、各種センサ・SWなどの入力、LCD・LEDなどの出力を追加し、制御ソフトウェアを開発します。入出力の追加は、Arduinoなどのコネクタ経由と配線の場合があります。言わばバラック建て評価システムなので、ノイズや静電気に対して敏感です。

このMCUプロトタイプ開発時のお勧めEMS対策が下記です。

1．配線で接続する場合は、特に入力信号/GNDのペア線を、手でねじり撚線化（Twisted pair）だけで高いEMS効果があります。

身近な例はLANケーブルで、色付き信号線と白色GNDの4組Twisted pairが束ねられています。このTwisted pairのおかげで、様々な外来ノイズを防ぎLANの信号伝達ができる訳です。

2．センサからのアナログ入力信号には、ソフトウェアによる平均化でノイズ対策ができます。

アナログ信号には、ノイズが含まれています。MCU内蔵ADCでアナログ信号をデジタル化、複数回のADC平均値を計算すればノイズ成分はキャンセルできます。平均回数やADC周期を検討する時、入力アナログ信号が撚線と平行線では、2倍以上（図5の2.54倍より）のノイズ差が生じるので重要なファクターです。従って、撚線で検討しましょう。
平均回数やADC周期は、パラメタ設定できるソフトウェア作りがお勧めです。

3．SWからの入力には、チャタリング対策が必須です。数ミリ秒周期でSW入力をスキャンし、複数回の入力一致でSW値とするなどをお勧めします。
※弊社販売中のMCUテンプレートには、上記ADCとSWのEMS対策を組込み済みです。

4．EMS対策のコンデンサやチョークコイルなどの受動部品パーツ選定には、ベンダ評価ボードの部品表（BOM：Bill Of Matrix）が役立ちます。BOMには、動作実績と信頼性がある部品メーカー名、型番、仕様が記載されています。

ベンダMCU評価ボードは、開発ノウハウ満載でMCUハードウェア開発の手本（＝ソフトウェアで言えばサンプルコード）です。

特に、新発売MCUをプロトタイプ開発に使う場合や、MCU電源入力ピンとコンデンサの物理配置は、BOM利用に加え、部品配置やパターン設計も、MCU評価ボードを参考書として活用することをお勧めします。
※PCB設計に役立つ評価ボードデザイン資料は、ベンダサイトに公開されています。

MCU誤動作防止の最終手段WDT

EMS対策は、誤動作の予防対策です。EMS対策をしても残念ながら発生するノイズや静電気によるMCU誤動作は、システムレベルで防ぐ必要があります。その手段が、MCU内蔵WDTです。

WDTは、ソフトウェアで起動とリセットのみが可能な、いわば時限爆弾です。WDTを一旦起動すると、ソフトウェアで定期的にリセットしない限りハードウェアがシステムリセットを発生します。従って、ソフトウェアも再起動になります。

時限爆弾を爆発（＝システムリセット）させないためには、ソフトウェアは、WDTをリセットし続ける必要があります。つまり、定期的なWDTリセットが、ソフトウェアの正常動作状態なのです。

ノイズや静電気でMCU動作停止、または処理位置が異常になった時は、この定期WDTリセットが無くなるため、時限爆弾が爆発、少なくとも異常状態継続からは復帰できます。

このようにWDTはMCU誤動作を防ぐ最後の安全対策です。重要機能ですので、プロトタイプ開発でもWDTを実装し、動作確認も行いましょう。

※デバッグ中でもWDTは動作します。デバッグ時にWDT起動を止めるのを忘れると、ブレークポイントで停止後、システムリセットが発生するのでデバッグになりません。注意しましょう！

ルネサスARM Cortex-Mコアマイコン：RAファミリ発表

2019年10月18日2021年12月4日 WithHappy

2019年10月8日、ルネサスエレクトロニクス（以下ルネサス）が、ARM Cortex-M4/M23搭載のRAファミリを発表しました。ARMコアMCU市場へ、遅ればせながら（！？）参入したRAファミリの特徴、競合他社と比較評価しました。

Runesas RAファミリ（出典：ルネサス） — Runesas RAファミリに加筆（出典：ルネサス）

RAファミリの特徴

「攻めやすく、守りにくい」、これがARMコアMCU市場だと思います。先行する競合他社は、NXP、STM、Cypress、TIなどです。

後発ルネサスが選択したARMコアは、Cortex-Mコア最高性能のCortex-M4と、低消費電力＋セキュリティ重視のCortex-M23/M33（M4はRA8でマルチコア化、M33予定）です。

同じARMコアの先行他社へ攻め込むには、他社比魅力的な内蔵周辺回路が必要です。上図の静電容量タッチセンサ、アナログなどがこれに相当するはずです。Cypress特許の静電容量タッチセンサ：CapSenseとの性能比較が楽しみです。
※CapSenseの特徴は、コチラの投稿などを参照してください。

RAファミリのターゲット市場は、産業機器、ビルオートメーション、セキュリティ、メータ、家電などで、車載を除く次世代IoTエッジデバイスです。

セキュリティニーズが高いIoTエッジMCUでは、Cortex-M3クラスでも性能不足が懸念されます。シングルコアなら最低でもCortex-M4、セキュリティ強化Cortex-M23/33のRAファミリのコア選択は、理解できます。

RAファミリとRunesas Synergyの違い

ルネサスは、これまでRunesas Synergy™としてARMコアMCUを販売してきました。このRunesas SynergyとRAファミリの違いが、10月8日MONOistの“ルネサスがArmマイコンで本気出す、「RAファミリ」を発売”記事に説明されています。

筆者は、Runesas Synergy™は、ルネサスがアプリケーション開発を手伝う形式で、個人レベルでの開発には金額的に手を出しにくいMCU、一方、RAファミリは、競合他社と同様CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standardに則った形式でユーザがアプリケーション開発できるMCUと理解しています。
※CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standardは、コチラの2章などを参照してください。

これで弊社も、競合他社と同じ土俵でルネサスARMコアMCUを使える可能性がでてきました。

RAファミリの開発環境

RAファミリパンフレットによると、IDEは、e2 studio（CS+はありません）、エミュレータは、Segger J-Linkまたは、E2エミュレータ Liteです。

例えば、Cortex-M4/48MHz/Flash:256KB/RAM:32KBの評価ボード：EK-RA4M1の概要が下記です。

Mouserで¥4,539で購入可能です。他社同様オンボードエミュレータですが、Arduinoコネクタを持っていません。価格も、後発なのに他社比、高い気がします😥。

RAファミリと競合他社比較

Cortex-Mコア、内蔵周辺回路、開発環境、評価ボード、日本語技術資料の5点から、ルネサスRAファミリを、競合他社ARMコアMCUと3段階（A/B/C）評価しました。

Cortex-Mコア＝A、内蔵周辺回路＝A、開発環境＝B、評価ボード＝C、日本語技術資料＝C → 総合評価＝B

総合評価Bは、普通レベルということです。個別評価結果が下記です。

Cortex-M4とM23/33コア選択や、タッチセンサ等の内蔵周辺回路は、後発なので当然ルネサスの市場調査結果によるものと思われ、A評価としました。IoTエッジMCUでは、これらコアや周辺回路が必須だと筆者も思います。
※コアと周辺回路は、現在、弊社注力中のCortex-M4コアテンプレート開発とCypress）PSoC 4 CapSenseテンプレート（開発中）に傾向が一致しています。

開発環境は、多機能すぎるe2 studioなのでBです（A評価は、NXP）MCUXpressoやTI）CCS Cloud）。

評価ボードは、Arduinoコネクタなしで高価なためCです（A評価は、NXP）LPCXpressoやSTM）Nucleo32）。

日本企業のルネサスですが、RAファミリ動画などは英語です。重要技術資料も英語が多く、日本語資料はC評価です（A評価は、STM）。
※ソフトウェア開発者が、日本語資料にこだわること自体、時代錯誤、時代遅れかもしれません。しかし、イタリア＋フランス企業のSTM日本語翻訳資料は、内容、和訳ともに優秀です。ルネサス技術資料は、これらと比べると低評価と言わざるを得ません。

総合評価Bですので、評価ボード：EK-RA4M1入手は、ペンディングとします。ルネサスRAマイコンを、本ブログへ追加した場合、ブログカテゴリと目標とする生産物は、下図になります。

また、2番目に示したターゲット市場図から、従来MCU とIoTエッジMCUとの境界が、Cortex-M3コアの可能性が見えてきました。この境界も追加しました。

筆者は、従来MCUは、IoTエッジのさらに外側、つまりIoT MCUのフロントエンドで機能し、Cortex-M4ソフトウェアの一部流用や活用により生産性が高く、しかも、エッジのカスタムニーズへも柔軟に対応するMCUへ発展すると思います。ARM Cortex-Mxコア間は、ソフトウェア流用が可能です（次回、詳細説明予定）。

ルネサスは、インターシルやIDT買収でMCUアナログフロントエンドを強化したはずです。しかし、新発売RAファミリに、これら買収技術は見当たらず、期待のSynergy効果も具体的には不明です（内蔵周辺回路の静電容量タッチセンサ、アナログに見えると期待）。

残念ながら現時点では、筆者には、RAファミリが魅力的なARMコアIoTエッジMCUとは思えません。今後に期待します。

総務省：2020年4月以降IoT機器アップデート機能義務化予定

2019年9月13日2019年9月20日 WithHappy

総務省は、電気通信事業法を改正し、2020年4月以降「IoT機器アップデート機能義務化を予定」しているそうです（日経ビジネス2019年9月6日有料会員限定記事、“モノのインターネットに死角あり狙われるIoT機器”より）。

本稿は、普通のMCU開発者が知るべき最低限のIoT MCUセキュリティ対策をまとめてみたいと思います。

IoT MCUセキュリティ

記事には、“歴史の浅いIoT機器は、開発者とユーザ双方にセキュリティ意識が欠如している“、”開発者は、便利で魅力的な機能搭載を優先し、セキュリティ配慮は2の次”とあります。確かにそうゆう見方はあります。

しかし、サイバー攻撃やセキュリティ関連ニュースが溢れる昨今、開発者/ユーザともに無関心ではないハズです。むしろ、現状のMCU能力では、セキィリティ強化が無理な側面を十分知った上で妥協している（目を瞑っている）のが事実だと思います。

セキィリティ関連記事は、その性質上、英語の省略用語を多用し、漏れがない細かい説明が多いので、全体を把握したい普通のMCU開発者には、解りにくいと筆者は考えています。

そこで、全体把握ができるMCUセキュリティのまとめ作成にトライしたのが次章です。

サイバー攻撃対策

MCUセキュリティ機能は、サイバー攻撃を防ぐための対策です。サイバー攻撃には、以下3種類があります。

ウイルス感染
通信傍受
通信データ改ざん

2）通信傍受対策には、暗号化が効果的です。暗号化処理には、データをやり取りする相手との間に鍵が必要で、共通鍵と公開鍵の2方式があります。共通鍵は、処理負荷が公開鍵に比べ小さく、公開鍵は、鍵を公開する分、処理負荷が大きくなる特徴があります。

3）通信データ改ざん検出には、ハッシュ関数（＝要約関数）を使います。ハッシュ関数に送信データを与えて得た値をハッシュ（＝要約値）と言います。送信データにハッシュを追加し、受信側でハッシュ再計算、送受ハッシュ一致時がデータ改ざん無しと判定します。

2）と3）は、データ通信が発生するIoT MCUセキィリティ機能です。暗号化、ハッシュ関数は、新サイバー攻撃に対し、次々に新しい防御方式が提案される鉾と盾の関係です。MCU外付けセキュリティデバイス（例えばNXPのEdgeLock SE050など）によるハードウエア策もあります。

PCやスマホのようなウイルス対策ソフト導入が困難なMCUでは、1）のウイルス感染対策に、MCUソフトウェアのアップデートで対応します。総務省は、IoT機器にアップデート機能とID、パスワード変更を促す機能を義務付ける予定です。
※開発者自身で溢れるウイルス状況を常時監視し、ソフトウェア対応するかは不明です。

従来のMCUソフトウェアアップデートは、UART経由やIDE接続で行ってきました。しかし、ネットワーク経由（OTA）やアクセス保護のしっかりしたソフトウェア書換えなどを、1）のアップデートは想定しています。

以上、ごく簡単ですが、MCUセキュリティ対策をまとめました。

総務省の「IoT機器アップデート機能義務化」が、具体的にどのようになるかは不明です。ただ、無線機器の技適規制などを考えると、技術ハードルは、かなりの高さになることが予想できます。

ディアルコアや超高性能汎用MCUの背景

簡単にまとめたMCUセキィリティ対策を、IoT機器へ実装するのは、簡単ではありません。

実現アプローチとしては2つあります。

1つ目は、ディアルコアMCU（例えばNXPのLPC54114、関連投稿：ARM Cortex-M4とM0+アプリケーションコード互換）や、超高性能な汎用MCU（例えばSTMのSTM32G4、関連投稿：STM32G0x専用テンプレート発売1章）が各ベンダから発売中です。

これら新世代MCU発売の背景は、従来MCU処理に加え、法制化の可能性もあるセキュリティ処理実装には、MCU処理能力向上が必須なためです。

ワールドワイドにIoT機器は繋がります。日本国内に限った話ではなく、地球規模のIoT MCUセキュリティ実装に対し、ディアルコアや超高性能汎用MCUなどの新世代MCUでIoT機器を実現するアプローチです。

2つ目が、セキュリティ機能が実装し易いMPU（例えばRaspberry Pi 4など）と、各種センサー処理が得意なMCU（旧世代MCUでも可能）のハイブリッド構成でIoT機器を実現するアプローチです。

2018年IoTトレンドと2019年予想記事をEdge MCU開発者観点で読む

2019年2月18日2019年3月3日 WithHappy

セキュリティ、産業IoT、通信事業者との連携、ウェアラブルデバイスという4テーマで2018年IoTドレンドとその予想結果、2019年のそれらを予想した記事がTechTarget Japanに掲載されています。

本稿はこの記事内容を、マイコン：MCU、特に本ブログ対象Edge MCU開発者の観点から読みたいと思います。

IoTサービス観点からの顧客目線記事

一言でIoTと言っても様々な観点があります。本ブログ読者は、殆どがMCU開発者なので、顧客がどのようなIoT開発を要求し、それに対して自社と顧客双方のビジネス成功をもたらす「ソリューション提供」が最も気にする点だと思います。

一方、要求を出す側の顧客は、記事記載の「IoTサービス」に注意を払います。そのサービス実現手段として、ベンダー動向やMCU開発者自身の意見を聞いてくるかもしれません。そんな時、日頃の技術動向把握結果を具体的に顧客に提示できれば、顧客案件獲得に有効なのは間違いありません。

顧客と開発者のIoT捉え方は異なる。 — 顧客はサービス観点でIoTを捉える。開発者はソリューション提供でIoTを捉える。

そこで、記事の4テーマ毎にEdge MCU開発者の観点、特にEdge MCU最新動向を関連投稿とともに示します。

セキュリティ

Edge MCUセキュリティ強化策として、昨年頃からMCUにセキュリティ機能を内蔵するか、または、MCU外付けに専用セキュリティチップを追加する動きが出始めました。
要するに、IoTではEdge MCUでデジタルデータ暗号化機能実装が必須になりつつあるのです。
関連投稿：守備範囲が広いSTM32G0のアクセス・ライン製品
関連投稿：IoTマイコンとセキュリティの色々なセキュリティ強化方法

産業IoT

産業機器データ収集と分析の重要性は顧客に認識されていますが、IoT導入は記事にあるように初期段階です。Edge MCUも、産業用にも流用できるメリットを示すIoT MCU新製品もありますが、車載用の新製品が多い状況です。
関連投稿：NXP新汎用MCU S32K1

通信事業者との連携

国により大きく異なる通信事業者とそのサービスや連帯を一言で表すことは困難です。ただし、日本国内でのIoTフィールドテストは、今一つ盛り上がりに欠ける感じが個人的にはします。やはり、黒船（海外発のIoT通信デファクトスタンダードとその普及）が必要かな？と思います。

ウェアラブルデバイス

Edge MCUに近距離無線通信（NFC）機能を搭載したり、AI機能（機械学習）を搭載しHuman Activity Recognition：人間活動認識を実現したりする新しいEdge MCI製品が登場しています。
関連投稿：NFCを使うLPC8N04のOTA
関連投稿：MCUのAI機能搭載

2019年2月18日速報：タイムリーなことに、Motor Fan Techという自動車関連の情報誌で、次世代ARM v8.1-Mアークテクチャが、業界最小の組み込みデバイス向けに、強力な信号処理を実現が掲載ました。次世代Cortex-Mプロセサは、機械学習（ML）パフォーマンスを最大15倍、信号処理パフォーマンスを最大5倍向上させるそうです。

IoTサービス例を顧客に示せるEdge MCUテンプレート構想

2018年3月の弊社LPC8xxテンプレートV2.5改版以降、新開発のマイコンテンプレートはありません。その理由は、記事にもあるIoTの急速な普及・変化が無かったことも1つの理由です。

これまでの弊社マイコンテンプレートの目的は、「開発者個人が低価格でMCU開発を習得すること」でした。このため、各ベンダーの汎用MCUとBaseboardを使い、そのMCU基本的動作開発までを1つの到達点としてきました。

2018年後半から新しいIoTトレンドに沿った新Edge MCUが各ベンダーから発売済みです。そこで、マイコンテンプレートも、顧客目線やその観点を取り入れた到達点へステップアップしようと思います。

顧客は単にMCUが動作するだけでなく、何かしらのサービス提供をしているIoT MCUを見たいでしょう。この「IoTサービス例を、開発者個人が、低価格かつ簡単に示せるマイコンテンプレート」が新しいEdge MCUテンプレートの構想です。

この場合の顧客とは、ビジネス顧客に限らず、開発者の上司や同僚、さらに、開発者自身でも良いと思います。開発結果がIoTサービスに関連していれば、誰でもその効果が判り易いハズです。

期待されているIoTサービスならば、開発者もMCU開発がより楽しく、その習得や応用サービスへの発展もより具体的かつアグレッシブになると思います。と言っても、クラウドを含めたIoTサービスを開発・提供するのは、個人レベルでは無理です。
従って、ほんの触り、一部分のIoTサービスになります。それでも、見る側からは、開発内容が解りやすくなります。

もはやMCUが動作するのは、当たり前です。その上で、＋αとしてEdge MCUがIoTで出来るサービス例を示し、さらに、Edge MCU習得も効率的にできるのがEdge MCUテンプレートです。

今後開発するEdge MCUテンプレートは、IoTサービス指向の結果、これまでマイコンテンプレートが持っていた汎用性が少し犠牲になる可能性もあります。ただ、従来の汎用MCUの意味・位置づけもIoTで変わりつつあります。
関連投稿：RL78ファミリから解る汎用MCUの変遷
関連投稿：STM新汎用MCU STM32G0）

MCU基本動作に加え、何らかのIoTサービス提供例を示す工夫をEdge MCUテンプレートへ加えるつもりです。

2018 IoT MCUを振り返る

2018年12月28日2019年1月2日 WithHappy

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。

NXP新汎用MCU S32K1

2018年11月17日2018年11月25日 WithHappy

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。

汎用コアMCUに、セキィリティ強化回路を内蔵（本稿）
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
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（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。