MCUの5V耐圧ピン

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 OSZephyr 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)
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)
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)
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
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。

  1. MCU動作電圧と被制御デバイス動作電圧は同じか?
  2. 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?
  3. 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。

STM32G0xテンプレートV2発売

STマイクロエレクトロニクス統合開発環境STM32CubeIDEのHAL APIを利用し開発したSTM32G0xテンプレートVersion2を、6月1日から発売します。

上記弊社サイトよりテンプレート付属説明資料P1~P3が無料ダウンロードできますので、ご検討ください。

STM32G0xテンプレートV2内容

従来よりも高性能で低消費電力動作の新汎用MCU:STM32G0シリーズのアプリケーション開発を、初心者でも簡単に始められ、しかも、処理能力やセキュリティ要求が変化した場合でも、開発資産を活かしたままMCU変更が可能なHAL APIプログラミングに重点を置きました。

そこでVersion2では、LL APIからHALAPI利用アプリケーション開発用テンプレートへの変更、統合開発環境SW4STM32から、STM32CubeIDEへの変更に対応しました。

STM32G0xのもう一つの特徴であるセキュアブート、セキュアファームウェア更新機能を活用する機能は、G0xテンプレートV2以降で対応します。

これらセキュリティ機能は、関連投稿:STM32G0/G4のRoot of Trust(1)~(3)で示したように、IoT MCUでは必須です。これら実装のメインストリーム(=汎用)・マイコンは、現在G0/G4シリーズです。

Root of Trust対応中のSTM32マイコン一覧(出典:FLXCUBESBSFU0819J)
Root of Trust対応中のSTM32マイコン一覧(出典:FLXCUBESBSFU0819J)

汎用性とセキュリティの両方を持つSTM32マイコンをご検討中の方は、先ずはSTM32G0xテンプレートV2で汎用性の部分をマスターできます。

STM32G0xテンプレートV2のご購入、お待ちしております。

Windows 10 May 2020 Update(バージョン2004)対策

5月28日、Windows 10の新バージョン2004の配布が始まりました。残念ながら、早くも複数の大型更新トラブルが発生中です(10件の更新トラブル情報)。

Fast/Slow リングの目的、月一Windows 10 Updateでの多くのトラブル、一般PC利用者への悪影響…等々、このところのMicrosoftは、何か変だと思わずにはいられません。

バージョン2004への更新を暫く避けようと考えている方は、Pro/Homeともに、コチラの方法が参考になります。

STM32マンスリー・アップデートHTML化

STマイクロエレクトロニクスのSTM32マンスリー・アップデートが、6月からスマホ閲覧に好適なHTML配信に変わります。2020年5月号が最後のメール配信でした。HTML配信はブラウザで「絵的」に見るのには確かに適していますが、「字的」な記憶や記録に残りにくい気がするので、個人的には残念です。

そこで、これまでのメール配信版の全マンスリー・アップデートから、5月30日発売のSTM32G0xテンプレートVersion2対象STM32G0シリーズ関連部分を忘れないようピックアップしました。

STM32G0シリーズ特徴

STM32G0シリーズ(出典:マンスリー・アップデート2019年10月)
STM32G0シリーズ(出典:マンスリー・アップデート2019年10月)
Dead Battery機能デフォルト有効(出典:マンスリー・アップデート2019年7月)
Dead Battery機能デフォルト有効(出典:マンスリー・アップデート2019年7月)

※テンプレートで使うNucleo-G071RBは、USB Power Delivery機能(Dead Battery機能)が「デフォルト無効」となっています。

STM32G042/G031/G030新登場(出典:マンスリー・アップデート2020年1月)
STM32G042/G031/G030新登場(出典:マンスリー・アップデート2020年1月)
STM32マイコンでRoot of Trust実現のX-CUBE-SBSFU(出典:マンスリー・アップデート2020年3月)
STM32マイコンでRoot of Trust実現のX-CUBE-SBSFU(出典:マンスリー・アップデート2020年3月)
SBSFU機能(出典:STM32_Security-Introduction)
SBSFU機能(出典:STM32_Security-Introduction)

報告は、A4で1枚以内にまとめろとOJTで学びました。今風に言うと、Twitterのような短文で報告せよということです。記事に、70nm新製造プロセス、64ピンパッケージでも1ペア電源ピン説明が無いのは、少し不満ですが、少ない文字量でSTM32G0特徴をまとめる良い見本になりました。

これは、読者にソフトウェア開発者が多いからでしょうか🤨? 黄色ハイライトは筆者加筆です。

STM32G0xテンプレートV2変更内容

さて、このSTM32G0シリーズ向けSTM32G0xテンプレートV2は、下記3項目がV1からの変更内容です。

  • IoT必須セキュアブート、セキュアFWアップデート実装STM32G0特徴を活用(詳細は、コチラの関連投稿を参照してください。V1は、この特徴を活かしきれていませんでした😂)
  • 高性能専用LL API利用から、汎用HAL API利用アプリケーション開発用テンプレートへ変更
  • SW4STM32統合開発環境から、STM32CubeIDEへ変更

項目2と3をVersion2で対応します。余裕があれば項目1にも対応するかもしれません。

STM32FxテンプレートV2発売

STマイクロエレクトロニクス統合開発環境STM32CubeIDEのHAL APIを利用し開発したSTM32FxテンプレートVersion2を発売します。

上記サイトよりテンプレート説明資料P1~P3が無料ダウンロードできますので、ご検討ください。本稿は、この「ダウンロード以外」の資料項目を簡単に示します。

全ツールビルトインSTM32CubeIDE

STM32CubeIDEは、従来は別ツールとして提供してきたSTM32CubeMXがビルトイン済みです。しかも開発ツール全てが自動的に最新版へ更新します。もちろんHelp>Check for Updatesで手動更新も可能です。

2020年5月15日現在のブログ関連STM32MCUに関係するSTM32CubeIDE状況が下図です。

STM32CubeIDE状況(2020年5月15日現在)
STM32CubeIDE状況(2020年5月15日現在)

STM32FxテンプレートV2は、HAL(Hardware Abstraction Layer)API利用アプリケーション開発用テンプレートですので、MCU性能過不足時、他のSTM32MCUコアへも開発アプリケーションが流用可能で、プロトタイプ開発に最適です。

STM32FxテンプレートV2ダウンロード説明資料以外の概略

以下、単語の頭に付くSTM32は省略して記述します。また、付属説明資料も同様にSTM32を省略記述していますので、ご注意ください。

AN記載CubeMXプロジェクトが読めない時の対策

アプリケーション開発の出発点となるビルトインツール:CubeMXが最新版へ自動更新されるのは、次々に発売される最新STデバイスを直ぐに開発できるメリットがあります。しかし、逆に開発者が参照するアプリケーションノート(AN)記載のCubeMXプロジェクトとの版数差が大きくなるデメリットもあります。

この版数差が大きくなると、AN記載CubeMXプロジェクトが、ビルトインCubeMXで読めない場合があります。特にF0/F1シリーズなど古くから提供されてきたデバイスのANに顕著です。STM32FxテンプレートV2付属説明資料で、この対策を示しています。

CubeIDE新規プロジェクト作成(1)/(2)/(3)の違い

STM32CubeIDEの3新規プロジェクト作成の差
STM32CubeIDEの3新規プロジェクト作成の差

CubeIDEユーザマニュアル:UM2553には、本日時点で新規プロジェクト作成説明は(1)/(3)のみです。未説明の最新版新規プロジェクト作成(1)/(2)/(3)の違いなど、開発をスムースに進める様々なTipsも説明資料に加えています。

CubeMX変更箇所、別資料化

STM32FxテンプレートVersion1では、CubeMX周辺回路の設定をテンプレート説明資料内に記載しておりました。ご購入者様からのご質問も、このCubeMX設定に関するものが多く、このツールの重要性が判ります。

そこでVersion2は、このCubeMX設定をCubeMX変更箇所.pdfとして別資料化し、CubeIDEプロジェクト内に添付しました。CubeMXプロジェクト編集時に、同時参照ができます。

STM32CubeIDEプロジェクト内添付のSTM32CubeMX変更箇所説明資料
STM32CubeIDEプロジェクト内添付のSTM32CubeMX変更箇所説明資料

例えば、ベースボードテンプレートのLCD接続に利用したSTM32F0評価ボード:Nucleo-F072RBのGPIOピン設定方針なども記載しています。CubeMXピン配置は、MCUパッケージで選択しますので、評価ボード利用のCubeMX使用ピン設定時に、下図は便利だと思います。

ベースボードと評価ボード接続時のSTM32CubeMX使用ピン設定方針
ベースボードと評価ボード接続時のSTM32CubeMX使用ピン設定方針

STM32FxテンプレートV2と添付説明資料を使うと、STM32汎用MCU開発をスムースに進められます。

STM32FxテンプレートV2のご購入、お待ちしております。

STM32CubeMX使い方刷新STM32Fx/G0xテンプレートV2発売5/15、5/30

サードパーティ仏)AC6社の統合開発環境SW4STM32で開発したSTM32FxテンプレートとSTM32G0xテンプレートを、新しいSTマイクロエレクトロニクス純正STM32CubeIDE対応のVersion2:V2へ更新し販売開始します(STM32Fxテンプレートは2020/05/15、STM32G0xテンプレートは2020/05/30)。

V2では、V1ご購入者様から頂いたご意見ご感想を反映し、新しいSTM32CubeIDEやビルトインSTM32CubeMX使い方説明に工夫を加え、開発トラブル回避、既存アプリケーション資産活用方法などの新たなTipsも添付解説資料に加えました。

テンプレートと合わせてスムースなSTM32MCUアプリケーション開発にお役に立てると思います。

本稿は、説明を工夫したSTM32CubeIDEビルトインSTM32CubeMX使い方の一部を紹介します。

STM32CubeMX使い方:コツ

※以下、用語の頭に付く「STM32」は省略して記述します。

MCU周辺回路の初期化コードを自動生成するCubeIDEビルトインCubeMXも、以前投稿したスタンドアロンCubeMXの使い方と同じです。

CubeMXはSTM32MCU開発の出発点となるツールですので、十分理解した上で着手したいものです。テンプレートV2では、ビルトインCubeMXが生成するファイルに着目し、説明に以下の「使い方のコツ」と「簡単な順位」を追加しました。

CubeMXは、生成するファイル数が多い上に、使用するMCU周辺回路が増えると、生成コード量も多くなり、初めての方には少し解りにくいツールです。弊社テンプレートV1も、このCubeMXに関する質問を多く頂きました。それでも、コツを知っていれば十分使いこなせます。

そのコツとは、以下2点です。
・チェックが必要な自動生成ファイルは、main.hのみ
・main.cに自動追加される周辺回路ハンドラと、初期化コードが分かれば使える

F1シリーズSTM32F103RBの評価ボード:Nucleo-F103RBに弊社テンプレートを応用した例で説明します。

STM32CubeMX生成のF1BaseboardTemplateファイル構成
STM32CubeMX生成のF1BaseboardTemplateファイル構成

CubeMXが自動生成するファイルが、赤:CubeMX生成欄の9個です。このうち注目すべきは、太字赤☑で表示したmain.hとmain.cです。

main.hは、CubeMXで設定したユーザラベル、評価ボードならばB1[Blue PushButton]やUSART_TX/RX、LD2[GreenLed]などを定義した生成ファイルです(※[ ]内は、自動生成時に削除されますので覚え書きなどに使えます)。

main.hのコメント:Private definesの後にこれらの定義が生成されます。これら定義をチェックしておくと、「CubeMX自動生成コードを読むときに役立ち」ます。

main.cは、CubeMXが生成するメイン処理で、評価ボードのCubeMXデフォルトでコード生成:(Alt+K)した場合には、main.cのコメント:Private variablesの後にUSARTハンドラ:huart2と、コメント:Private function prototypesの後にUSART2の初期化コード:MX_USART2_UART_Init()と、その「初期化コード本体がmain.cソースの後ろの方に自動生成」されます。

その他の7個ファイルは、当面無視しても構いません。CubeMXデフォルトのHAL (Hardware Abstraction Layer)APIを利用し、割込みを使わない限り、ユーザコードには無関係だからです(※7個ファイルを知りたい方は、関連投稿:STM32CubeMX生成ファイルのユーザ処理追記箇所を参照してください)。

CubeMXが周辺回路:USART2初期化コードとそれに使う定義を自動生成済みなので、後は、main.cの無限ループ内の指定区間:USER CODE BEGIN xyz~USER CODE END xyzに、Usart2やLD2を使ったHAL APIユーザコードを追記すれば、アプリケーションが完成します。

追記したユーザコードは、再度CubeMXでコード生成しても、指定区間のまま引き継がれます。

ちなみに、アプリケーションで使用可能なHAL APIは、Ctrl+Spaceでリスト表示されます(Content Assist)。そのリストから使用するHAL APIを選択すれば、効率的なユーザコード追記が可能です。
※Content Assistの賢いところは、「ソースコード記述の周辺回路ハンドラを使ってHAL APIをリスト化」するところです。記述なしハンドラのAPIはリスト化されません。

つまり、CubeMXのPinout & Configurationタブで周辺回路を設定後コード生成しさえすれば、直ぐにユーザコードを追記できるファイルが全て自動的に準備され、これらファイルの指定区間へユーザコードを追記すれば、アプリケーションが完成する、これがCubeMXの使い方です。

このCubeMX使い方理解に最低限必要なファイルが、簡単順位:0のmain.hとmain.cの2個です。CubeMX生成ファイル数は9個ありますが、先ずはこの2個だけを理解していれば十分です。

LD2を点滅させるアプリケーションなどを指定区間へ自作すると、具体的に理解が進みます。

STM32CubeMX使い方:周辺回路のファイル分離

評価ボードのCubeMXプロジェクトファイル(*.ioc)は、デフォルトでB1[Blue PushBotton]とUSART2、LD2[GreenLed]を使っています。これらは、評価ボード実装済み周辺回路です。

これら評価ボード実装済み周辺回路へ、弊社テンプレートを適用したのが、シンプルテンプレートです(表:シンプル追加の欄)。

例えば、B1スイッチ押下げ状態をSW_PUSH、USART送信タイムアウトをUSART2_SEND_TIMEOUTなどソースコードを読みやすくする定義の追加は、CubeMX生成main.hの指定区間へ追記することでもちろん可能です。

しかし、他MCUコアへの移植性や変更のし易さを狙って、あえて別ファイル:UserDefine.hへこれらを記述しています。

同じ狙いで、LD2とB1、USART2のユーザ追記制御部分を、Led.cとSw.c、Usart2.cへファイル分離しています。ファイル分離により、HAL API利用のためMCUコア依存性が無くなり、例えば別コアのF0やG0評価ボードで同じ周辺回路を使う場合は、そのファイルのまま流用可能になります。

これらファイル分離した周辺回路の追記制御部分を、main.cの無限ループと同様に起動するのが、Launcher.cです。

つまり、シンプルテンプレートは、評価ボード実装済み周辺回路に、何も追加せずに弊社テンプレートを適用したシンプルな応用例です。その理解に必要なファイルが、緑:シンプル追加欄の☑で、簡単な順に1~5の番号を付けています。

CubeMXのそのままの使い方で周辺回路を追加すると、生成ファイル数は、赤:9個のままですが生成コード量が増えます。周辺回路の初期設定コード増加は当然ですが、この部分はCubeMX自動生成のためミス発生はありません。

しかし、ユーザコード指定区間へ、追加した周辺回路の制御コードを追記するのは、ユーザ自身です。様々な周辺回路制御が混在し追記量が増えてくると、バグやケアレスミスの元になります。

この対策に、周辺回路毎にファイルを分割し、この分割したファイルへ制御コードを記述するのが、シンプルテンプレートです。1周辺回路の制御コードが1ファイル化されていますので、簡単順位1~5の内容は、どれもとても簡単です。

さらに、ADC制御やLCD制御など、殆どの組込アプリケーションで必要になる周辺回路を追加し、Baseboardと評価ボードを結線、デバッグ済みのアプリケーションがベースボードテンプレートです(橙:ベースボード追加欄の3個)。

ユーザ追加ファイルは、全てMCUコア依存性がありません。CubeMXのHAL APIコード生成を行えば、コアに依存する部分は、CubeMX生成ファイル内に閉じ込められるからです。つまり、ユーザ追加ファイルは、全てのSTM32MCUへ流用できる訳です。

これらシンプルテンプレート、ベースボードテンプレートから新たなSTM32MCUアプリケーション開発を着手すれば、新規にアプリケーションをゼロから開発するよりも初期立上げの手間を省け、さらに機能追加や削除も容易です。

STM32CubeMX使い方:周辺回路プロパティ、既存AN利用法

CubeMXへ追加した周辺回路のプロパティ設定値やその理由、更に、既存アプリケーションノート利用方法など、新しいSTM32CubeIDE開発トラブルを回避し、スムースに開発着手できる様々なTipsをテンプレート添付説明資料へ加えています。

マイコンテンプレートサイトでSTM32Fxテンプレートは2020/05/15、STM32G0xテンプレートは2020/05/30発売開始です。ご購入をお待ちしております。
※STM32Fx/G0xテンプレートV1ご購入後1年以内の方は、後日V2を自動配布致しますのでお待ちください。

STM32Fx/G0xテンプレートV2改版状況

STマイクロエレクトロニクスの新しい純正統合開発環境:STM32CubeIDEを使い

2017/09/01発売 STM32Fxテンプレート
2019/06/01発売 STM32G0xテンプレート

を、5月中頃にVersion2:V2改版完了を目標に開発中です。どちらのテンプレートも、サードパーティ仏)AC6社の統合開発環境:SW4STM32と当時のSTM32CubeMXで開発しました。もちろん当時、STM32CubeMXビルトインSTM32CubeIDEはありませんでした。
※STM32CubeMXビルトインSTM32CubeIDEの詳細は、コチラの関連投稿3章を参照してください。

STM32FxテンプレートとSTM32G0xテンプレートのVersion2改版
STM32FxテンプレートとSTM32G0xテンプレートのVersion2改版

本稿は、改版で気が付いた1~3年前のSTM32MCU開発と、現在の「変わったところ/変わらないところ」を説明します。SW4STM32からSTM32CubeIDEへのIDE変更は自主的に変える部分ですが、IDE以外も色々な部分が変わっています。

本稿の目的

本稿は、従来IDEのSW4STM32から新しいSTM32CubeIDEへの移行を妨げるのが目的ではありません。

ほんの数年前のMCU開発環境であっても、最新開発環境へ変える場合には、環境変化への対応時間が必要であることを示したい訳です。

この数年間のブランクは、顧客へ納入済みのアプリケーションを改版、改良する場合によく出会う時間差です。MCU環境は目まぐるしく変わります。この変化にどのように上手く対応していくかも、MCU開発者要件の1つです。

現状のMCU開発は、複数の開発ツールがそれぞれ連携してアプリケーション開発が進みます。セキュリティなどの付加サービスであれば、なおさらです。これら複数ツールは、足並みを揃えて全てが一気に最新環境へ対応することは少ないでしょう。

さらに、STM32G0シリーズのような新しいデバイス情報も収集しておく必要があります。これらを考慮したうえで、顧客からのアプリケーション改版、改良案件に対して、その時点での最適解を提案することが必要だと思います(以下、用語の頭に付く「STM32」は省略して記述します)。

STM32CubeMX:コード生成ツール

CubeMXの自動生成する周辺回路の初期設定コードが変わりました。USART2の例が下図です。

STM32CubeMXの周辺回路初期設定変化
STM32CubeMXの周辺回路初期設定変化

左の従来は、USER CODE追記部分が有りませんが、右の現在は、BEGIN~END部分へユーザコードを追記できます。USART2以外にも、TIM3やIWDGの初期設定コードが同様に変わっています。

この追記部分のおかげで、より解り易い処理フロー作成が可能です。弊社テンプレートV2もこれを活用します。

MCUの消費電流Chartが生成レポート6.6に追加されました。25℃/3.3V動作時のG0/F0/F1各SimpleTemplateのChartを示します。縦軸を比較すると新汎用MCU:G0シリーズの低電力性能がよく解ります。

STM32G0、STM32F0、STM32F1の消費電流比較
STM32G0、STM32F0、STM32F1の消費電流比較

G0シリーズの特徴は、コチラの関連投稿などを参照してください。

AN:アプリケーションノート

アプリケーション開発に最も役立つのが公式AN:サンプルコード集です。CubeMXを開発起点とするサンプルコード集が、F0はAN4735、F1はAN4724、G0はAN5110です。基本的な周辺回路制御方法と、それらを生成するCubeMXプロジェクトファイルが一覧表になっています。

例えば、F1のHAL(Hardware Abstraction Layer)API利用ADCサンプルコード4種を抜き出したのが下記です。

STM32F1シリーズのADCサンプルコード
STM32F1シリーズのADCサンプルコード

従来比、各AN添付のCubeMXプロジェクトファイルは増えましたが、F0/F1は、ブランクプロジェクト(≒開発起点に使えない空プロジェクトファイルで下図左側)です。ここは、数年前と変わっていません。

また、どのサンプルコードもSW4STM32/IAR EWARM/Keil MDK-ARM対応で、未だ新しいCubeIDEには対応していません。
※サンプルコードの中身は、中級開発者には参考になりますが、初心者には、CubeMXプロジェクトファイルがある方が周辺回路の設定内容がより解り易いと思います。

ちなみに弊社テンプレートには、開発起点となるCubeMXプロジェクトファイルを自作し添付しています(下図右側がF1BaseboardTemplateの例)。

この添付CubeMXプロジェクトファイルがあると、どなたにでもテンプレートを活用したアプリケーション開発やピン配置変更、内容修正が容易です。周辺回路設定方法などもV1で頂いたテンプレートご購入者様の意見を反映し添付します。

STM32CubeMXブランクプロジェクトとSTM32F1テンプレートのプロジェクトファイル比較
STM32CubeMXブランクプロジェクトとSTM32F1テンプレートのプロジェクトファイル比較

STM32G0シリーズHAL APIアプリケーション重要性

F0~F1のMCU性能を1つでカバーし、かつ低消費動作なG0シリーズMCUには、その性能を100%活かせる専用LL(Low Layer)API開発が適すと考え、G0xテンプレートV1は、LL APIを主として発売しました。

しかし、G0シリーズは、コア依存性が少ないHAL APIアプリケーション開発がSBSFU実装も可能であり優れています(詳細は、コチラのG0/G4 Root of Trust関連投稿を参照してください)。G0xテンプレートV2は、HAL APIでテンプレートを新規開発します。
※SBSFUを実装したG0xテンプレートは、V2以降(多分V3)で予定しています。

BSP:Board Support Package

従来のSW4STM32は、サンプルコードにBSPを使っていました。しかし、新しいCubeIDEは、BSPを使わずHAL APIで直接制御するサンプルコードが主流です。BSPの実体はHAL APIの組合せですので、BSPを使うよりも評価ボード依存性が無く、より応用流用し易いのは、CubeIDEです。

テンプレートV2も、BSPを使わないCubeIDE方式にします。

Baseboard

mbed-Xpresso BaseboardとNucleo評価ボード接続
mbed-Xpresso BaseboardとNucleo評価ボード接続

秋月電子で簡単に入力できたBaseboardが、現在取扱終了です。代わりにアマゾンマルツで簡単入手できます。

LCDやSWなどのシールドをそれぞれ単体で追加購入するよりも、低価格で評価ボード機能追加ができます。その分、手配線は必要ですが😅、オス-オスジャンパーワイヤで手軽に接続ができます。

STM32CubeIDE日本語文字化け

CubeIDE当初から続く日本語文字化けは、最新版でも解消されていません。コチラの方法で解決しました。

SW4STM32 Webinar

従来の統合開発環境:SW4STM32もまだまだ現役です。例えば、2020年5月5日、15:00~17:00に2時間無料Webinarがあります(多分、英語かフランス語)。最新STM32MP1対応SW4STM32解説なので、興味ある方は、視聴してはいかがでしょう!

Free webinar on Embedded Linux with System Workbench for Linux

さいごに

開発環境変化への対応が必要と説明しましたが、実際にどれ程の時間が必要かは示していません。上手く対応できれば即座ですが、下手をすると本来のアプリケーション開発、改良よりも時間が掛かってしまいます。実際、筆者が対処に結構時間を要したものもありました。

STM32FxテンプレートV2とSTM32G0xテンプレートV2は、筆者が経験したSTM32CubeIDE開発トラブル対処法や、既存AN資産を活用するための様々な対処方法やTipsも解説資料に加えます。テンプレートと合わせてスムースなSTM32MCU開発にお役に立てると考えています。

STM32CubeMonitor

STマイクロエレクトロニクスのSTM32MCU純正開発環境STM32Cubeツールファミリに新に追加されたSTM32CubeMonitorを解説します。

STM32CubeMonitor特徴1:変数リアルタイムモニタ

STM32MCUアプリケーション開発フローと、純正開発環境STM32Cubeツールファミリ:STM32CubeMX、STM32CubeIDE、STM32CubeProgrammer、 STM32CubeMonitorの機能配分が下図です(以下、各ツールの頭に付くSTM32は省略して記述します)。

STM純正 4 Software Development Toolsと機能(出典:STMサイト)
STM純正 4 Software Development Toolsと機能(出典:STMサイト)

この1~4段階の開発フローを繰返すことでアプリケーション完成度が上がります。CubeMX、CubeIDE、CubeProgrammerの機能には重複部分がありますが、Monitoring機能を持つのは、CubeMonitorだけです。

通常のMCU開発は、CubeMXがビルトインされた4段階全てをカバーする統合開発環境:CubeIDEを使えば事足ります(CubeMXビルトインCubeIDEの詳細は、関連投稿の3章をご覧ください)。

CubeProgrammerは、MCUオプションバイト設定などCubeIDEではできないBinary Programmingの+α機能を提供します。例えば、STM32G0/G4のRoot of Trust(3)の投稿で示したSBSFU書込みや消去などがこの機能に相当します。

CubeIDEでも、デバッガ上でアプリケーションの変数モニタは可能です。しかし、あくまでDebugging MCUの(開発者向け)変数モニタです。CubeMonitorは、アプリケーションを通常動作させたまま、変数をリアルタイム(ライブ)モニタができる点が、CubeIDEとは異なるMonitoring機能です。

STM32CubeMonitor特徴2:データ可視化

リアルタイムで取得したデータは、下図のようにPCダッシュボードに予め準備済みのChartや円グラフにして可視化することができます。しかも、これら表示が、PCだけでなく、スマホやタブレットへも出力可能です。

STM32CubeMonitorのデータ可視化(出典:DB4151)
STM32CubeMonitorのデータ可視化(出典:DB4151)

つまり、CubeMonitorを使えば、開発したアプリケーションのライブ動作を、あまり手間をかけずにビジュアル化し、エンドユーザの顧客が解るように見せることができる訳です。これが、一押しの特徴です。

文章で説明するよりも、コチラの動画を見ていただくと一目瞭然です。

組込みアプリケーションのビジュアル化

組込みアプリケーション開発も、自動車のADAS(Advanced Driver-Assistance Systems:先進運転支援システム)のおかげでビジュアル化がトレンドです。

組込みアプリケーションのビジュアル化
組込みアプリケーションのビジュアル化

もちろん、超高性能MCUやデュアルコアMCUで実現するアプローチが本流です。が、本稿で示した2020年3月発表のCubeMonitorを使えば、産業用MCUでも案外簡単にビジュアル表示出力が可能になりそうです。

組込みアプリケーションは、MCUで結構大変な処理を行っていても、外(顧客)からは単にMCUデバイスしか見えません。CubeMonitorで処理データを可視化するだけでも、複雑さや大変さを顧客へ示すツールにもなります。

STM32G0/G4のRoot of Trust(3)

STM32G0/G4シリーズRoot of Trust実現(3)は、第2回で示したSTM32G4評価ボード:NUCLEO-G474RE 利用STM32G4テンプレート開発環境と、デュアルファームウェアイメージのサンプルアプリケーションを使って、セキュア・ブート(SB)、セキュア・ファームウェア更新(SFU)のための準備、その具体的動作の説明をします。

初めに本稿(3)のまとめを示し、最後の章でRoot of Trust実現(1)~(3)全体のまとめを示します。

STM32G0/G4のRoot of Trust(3)まとめ

  • セキュア・ブート(SB)、セキュア・ファームウェア更新(SFU)に、評価ボード毎にSTM32CubeProgrammerを使ったオプションバイト設定必要。
  • Root of Trust(SBSFU)実装MCUは、VCP経由アクセスのみ可能。
  • SBSFUローカルVCPダウンロードのために、Tera TermとYMODEM送信機能利用。
  • STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REで、SBSFU実装デュアルファームウェアイメージアプリケーション動作説明。
  • STM32G0評価ボード:NUCLEO-G071RBでも、STM32G4評価ボードと同じRoot of Trust(SBSFU)実装動作を確認。

STM32G4評価ボード準備

SB、SFUサンプルアプリケーションの動作確認のために評価ボード:NUCLEO-G474REの事前準備が必要です。これには、STM32CubeProgrammerを使います。STM32G4の場合は、UM2262 図18ですが、オプションバイト等の設定は不要(デバイスデフォルトOK)です。

8.1.3のFlash全消去(Full chip erase)処理をします。また、評価ボードのST-LinkファームウェアをV2J29以上に更新します。更新は、評価ボードとUSB接続後、STM32CubeProgrammerのFirmware Updateクリックで最新版ST-Linkファームウェアへ更新されます。

STM32CubeProgrammerのST-Linkファームウェア更新
STM32CubeProgrammerのST-Linkファームウェア更新

Root of Trust(SBSFU)準備

図17. ステップバイステップ実行から判るように、最初のStep1:SBSFUダウンロード以外は、全て評価ボードのVirtual COMポート(VCP)経由でアプリケーションをダウンロードします。STM32CubeIDEがプログラミングやデバッグで使うST-Link接続(SWD接続)は、外部からのMCU攻撃とSBSFUが解釈するからです。

セキュア・ブート(SB)が攻撃と判断した時は、当然、アプリケーションを起動しないためMCUは動作停止します(SB処理は、第2回2章を参照してください)。

図17. ステップバイステップ実行(出典:UM2262)
図17. ステップバイステップ実行(出典:UM2262)

つまり、ファームウェアイメージのアプリケーションがディアル/シングルに関係なくRoot of Trust(SBSFU)実装MCUは、VCP経由アクセスのみ可能となります。また、VCP経由でのアプリケーションデバッグは非効率なため、十分なデバッグ済みアプリケーションをダウンロードする必要もあります。

このVCP経由ダウンロードのために、Tera TermとそのYMODEM送信機能の準備が必要です。

SBSFUサンプルアプリケーション

図17. Step-by-stepを使ってデュアルファームウェアイメージのSBSFUサンプルアプリケーション動作を説明します。

Step1:Flash全消去後のNUCLEO-G474REに、STM32CubeIDEを使って第2回3章で示した順番でコンパイル済みのSBSFUプロジェクト出力(SBSFU.elf)を、STM32CubeIDEを使わずにSTM32CubeProgrammerでダウンロードします。

STM32CubeIDEでは、ダウンロード後自動的にデバッガ接続に変わるため、この時点でSBSFUが攻撃を受けたと判断し使用できません。

STM32CubeProgrammerを使うとNUCLEO-G474REのFlashに、セキュアエンジンとSBSFUが書込まれます。これ以降は、Tera TermのVCP経由MCUアクセスのみが可能です。
※従って、STM32CubeIDEを使ったST-Link経由MCUデバッグ開発へ戻る時は、STM32CubeProgrammerでSBSFUが入ったFlashを全消去する必要がありますので注意してください。

次に、パソコンとNUCLEO-G474RE接続中のUSBケーブルを、2回挿抜します。これで、ST-Linkに代わりSBSFUとTera TermのVCP通信が開始します。

Step2:NUCLEO-G474RE とTera Termは、8-Non-1 115200bpsでシリアル接続します。接続後、NUCLEO-G474REリセットボタン(黒ボタン)を押すと、SBSFUが図24(白黒反転済み)のWelcome画面をTera Termへ出力します。

図24. SBSFUがTera Termへ出力するWelcome画面
図24. SBSFUがTera Termへ出力するWelcome画面

Welcome画面を確認後、Tera Termのファイル(F)>転送(T)>YMODEM>送信(S)をクリックし、UserApp.sfb(暗号化ファームウェア)を選択します。
※UserApp.sfbは、NUCLEO-G474RE_2_Image _UserApp¥Binaryフォルダ内(UserApp オブジェクト出力先フォルダ)にあります。

プログレスバーは、1秒ほど動きません。この間は、SBSFUがダウンロードファームウエアヘッダの有効性を検証し、格納するFlashスロット#0/#1領域を消去しているからです。

送信完了でNUCLEO-G474REのFlashが、Step2の状態になります。

Step3:NUCLEO-G474REが自動的に再起動し、SBSFUにより復号化されたUserAppが動作します。この時のTera Term出力が図27(白黒反転済み)です。NUCLEO-G474REのLD2は、ゆっくり点滅します。

図27. 暗号化ファームウェア転送後のSBSFU再起動
図27. 暗号化ファームウェア転送後のSBSFU再起動

画面のUser App #Aは、2_Images_UserApp>main.cのL51:UserAppId = ‘A’の出力です。Main Menu:1/2/3は、インストールしたアプリケーションに記述されたSBSFUテスト機能です。

CN7真ん中よりやや下あたりを指で触るとTamper機能が動作し、ボードリセットが掛かります。

実際では、この段階で我々ユーザが開発したアプリケーションが動作中となります。

Step4:ユーザ開発アプリケーションに何らかのバグがあり、これをデバッグ済みの新しいアプリケーションへ更新(SFU)するのがこの段階です。

STM32CubeIDE でL51:UserAppId=‘B’へ変更し、コンパイルします。ここでは、これをデバッグ済みの新しいアプリケーションとします。

再び、Tera Termのファイル(F)>転送(T)>YMODEM>送信(S)をクリックし、UserApp.sfb(UserAppId=‘B’に変更し、コンパイルした暗号化ファームウェア)を選択し、ダウンロードします。ダウンロード完了でNUCLEO-G474REは再起動します。

Step5:再起動後の動作中アプリケーションは、図27の下線部が変更したUser App #Bに変わっていることで確認できます。

これで、新しいアプリケーションへの更新が完了しました。

*  *  *

図17を使ってRoot of Trust実現STM32G4シリーズMCUのセキュア・ブート(SB)、セキュア・ファームウェア更新(SFU)ローカル動作例を説明しました。

実際は、この動作が図2. ②通信チャネル経由で行われます。

図2.セキュアファームウェア更新プロセス(出典:UM2262)
図2.セキュアファームウェア更新プロセス(出典:UM2262)

通信チャネル利用時は、本稿のローカル動作で使ったTera TermのYMODEM送信を誰が行うのか、鍵の管理やサーバ提供など、筆者がUM2262から読み切れない不明な部分があります。これらはいずれ、明らかにする予定です。

また、UM2262図18. 評価ボード準備とSTM32CubeProgrammer設定方法が解りづらく、単なるサンプルアプリケーション動作にかなり「苦戦」しました。この部分は、通常アプリケーション開発とRoot of Trust実現開発の切換えとなる重要ポイントです。STM32G4テンプレート発売時には、添付資料にもっと解りやすい説明を加えます。

UM2262 Rev6/5の評価ボード:NUCLEO-G474RE設定記述ミス

もう1つの「苦戦」理由は、UM2262 Rev6/5の8.1評価ボード:NUCLEO-G474RE設定記述に間違いがあるからです。

UM2262 8.1には、STM32G4のDBANKビット有効化と記述されていますが、これは「無効化が正しい」です。STM32CubeProgrammerで無効化に設定してください。

STM32G0評価ボード:NUCLEO-G071RBに関しては、記述にミスはありません。本稿の関連部分をNUCLEO-G071RBへ読替えると、全て正常動作します。

STM32G4シリーズは、STM32G0シリーズよりも約1年後に発売されました。新しいMCUのためUM2262に記述ミスがあるのだと思います。

STM32G0/G4のRoot of Trust全体まとめ

STM32G0/G4のRoot of Trust(1)~(3)、いかがでしたでしょうか? セキュリティ機能の実装は、IoT MCUでは必須です。従来のMCU開発へ追加する機能や手間、セキュリティ知識も当然必要になります。

これら追加分は、一般的な開発者が、オリジナリティを加えるべき部分では無いと思います。そこで、これら追加分を、できるだけ簡潔に解り易く説明したつもりです。Root of Trust (1)~(3)で、下記STM32マイコンマンスリー・アップデート2020年3月号P4のX-CUBE-SBSFU説明内容が、より解り易くなれば先ずはOKとします。

STM32マイコンマンスリー・アップデート2020年3月号P4のX-CUBE-SBSFU説明
STM32マイコンマンスリー・アップデート2020年3月号P4のX-CUBE-SBSFU説明

結局、STM32G0/G4シリーズMCUの場合は、通常のMCUアプリケーション開発が第1段、次に、これをIoT MCU化し、Root of Trust機能(SBSFU)を追加実装するのが第2段という、2段階開発になりそうです。この第2段SBSFU実装時に、本稿で用いたデュアル/シングルファームウェアイメージのアプリケーションサンプルが、枠組みとして使えそうです。

STM32G4テンプレートも、弊社通常テンプレート同様、RTOSを使わない疑似マルチタスク実装用(第1段テンプレート)と、開発済みアプリケーションのRoot of Trust SBSFU実装用(第2段テンプレート)の2つに分けてパックで提供しようと考えています。

セキュリティ(盾)は、常に脅威(鉾)との競争です。STM32G0/G4シリーズよりも更にセキュリティを強化したSTM32L5シリーズ(Cortex-M33)など最新MCUの方が、IoT MCU開発には向いているのかもしれません。

この終わりなき競争が続いてセキュリティ時代遅れにならないように、開発中MCUのより早く、かつ、万一より強いセキュリティMCUが必須となった場合でも、MCUコアに依存しない流用性の高いアプリケーション開発が求められます。



SW4STM32からSTM32CubeIDE移設

STマイクロエレクトロニクス(以下STM)MCUの統合開発環境(IDE)を、従来のSW4STM32から新しいSTM32CubeIDEへ移設するのは簡単です。STM32CubeIDE初期画面に、SW4STM32からSTM32CubeIDEへのプロジェクト変換機能があるからです。

しかし、本稿はSTM社自身による新しいSTM32CubeIDE発表を、STM32MCU純正開発ツールラインナップの完成ととらえ、SW4STM32で開発したSTM32FxテンプレートSTM32G0xテンプレートを、STM32CubeMX起点のSTM32CubeIDE移設方法とそのメリットを示します。

SW4STM32/TrueSTUDIOからSTM32CubeIDE移設背景

IDE開発元の買収&消滅、C/C++コンパイラ改版、Eclipse改版、WindowsなどのOS改版等々、IDE移設が生じる原因は、様々です。IDEは、MCU開発者と最も長い付合いをするツールで、しかも顧客先で稼働中ソフトウェアの変更手段ですので、IDE移設はできれば避けたい出来事です。

SW4STM32は、STM32MCU向けコードサイズ制限なしの無償IDEで、サードパーティAC6社が提供してきました。また、サードパーティAtollic社のTrueSTUDIOも同じくSTM32MCU向け無償IDEとして人気がありましたが、Atollic社をSTMが買収し、TrueSTUDIOはDiscontinue、代わりにSTM自社開発のSTM32CubeIDE無償提供を始めました(Atollic社買収の目的は、STM32CubeIDE開発だと思います)。

STM32 Software Development Tools(出典:STMサイト)
STM32 Software Development Tools(出典:STMサイト)

ポイントは、従来サードパーティが提供してきたコードサイズ制限なし無償IDEを、STM自らSTM32CubeIDEで提供し、「STM32CubeMX/IDE/Programmer/Monitorから構成されるSTM純正のSTM32MCU開発ツールラインナップが完成」したことです(上図)。

このうち、STM32CubeMoniterは、比較的新しいデバッガで、本ブログで紹介を予定しています。

STM32CubeIDEフォルダ構成

STM32CubeIDEは、SW4STM32やTrueSTUDIOよりも後発IDEですので、SW4STM32/TrueSTUDIO開発プロジェクトを、STM32CubeIDEプロジェクトへ変換し取込む機能があります。この機能の使用結果が下図左側です。

STM32CubeIDE変換機能移設プロジェクト(左)とSTM32CubeIDE新規プロジェクト(右)のフォルダ構成比較
STM32CubeIDE変換機能移設プロジェクト(左)とSTM32CubeIDE新規プロジェクト(右)のフォルダ構成比較

左側は、弊社がSW4STM32で開発したSTM32G0x SimpleTemplateプロジェクトを、STM32CubeIDEの変換機能を使ってSTM32CubeIDEプロジェクトへ移設後のProject Explorer、一方、右側は、STM32CubeIDEで新規にSTM32G0プロジェクトを作成した時のProject Explorerです。

左右でプロジェクトのフォルダ構成が異なっていることが判ります。

左:変換機能利用の移設プロジェクトは、従来のSW4STM32フォルダ構成がそのままSTM32CubeIDEで再現されます。

右:STM32CubeIDE新規プロジェクトのフォルダ構成は、Coreフォルダ内にIncフォルダとSrcフォルダがまとめられています。これがSTM32CubeIDE本来のフォルダ構成です。
※ここでのCoreは、下図Application code層を示します。

STM32CubeIDE本来のフォルダ構成は、MCUがCortex-M4のSTM32G4などへ代わっても、Core>Inc/Src構成は不変で、Driversフォルダの中身がSTM32G4対応へ変わるのみです。つまり、よりCMSIS対応のアプリケーション開発に向いた構成です。

CMSIS Structure(出典:Keil CMSIS Version 5.6.0 Generalサイト)
CMSIS Structure(出典:Keil CMSIS Version 5.6.0 Generalサイト)

※CMSIS対応は、関連投稿:mbed OS 5.4.0のLチカ動作、LPCXpresso824-MAXで確認の3章 CMSISを参照してください。

このようにSTM32CubeIDEは、開発者が「本来のアプリケーション開発に集中し易い、つまりIncとSrcのコード作成に集中できるMCU非依存のフォルダ構成」です。

さらに、他の「STM32MCU純正開発ツールとの相性良さや、新発売MCUデバイスへの素早い対応」も期待できます。

これらは、サードパーティIDEになかったSTM自社開発STM32CubeIDEの大きなメリットです。

STM32CubeMX起点のSTM32CubeIDE移設

STM32Fx/G0xテンプレートは、SW4STM32で開発しました。STM32CubeIDEプロジェクト変換機能を使って、従来SW4STM32フォルダ構成のままSTM32CubeIDEへの移設は簡単です。しかし、前章のSTM32CubeIDE本来のフォルダ構成の方が、より大きなメリットが期待できます。

そこで、本来のSTM32CubeIDEプロジェクトフォルダ構成へ、SW4STM32プロジェクトを移設します。

これには、STM32Fx/G0xテンプレート開発時に自作したSTM32CubeMXプロジェクトファイル(前章の左側:SimpleTemplate.ioc)を使います。

STM32CubeMXは、STM32MCUソフトウェア開発の起点となるコード生成ツールです。このSTM32CubeMXから移設を始めれば、次段のSTM32CubeIDEも本来の新規プロジェクト構成で自動生成されます。

さらに、開発アプリケーションで使うLL API/HAL APIの選択や変更も、STM32CubeMXで行います。従って、LL APIが「主」で開発したSTM32G0xテンプレートを、HAL APIへ変えるのも容易です。
※LL API「主」からHAL APIへも「主」へ変更する理由は、STM32G0シリーズがRoot of Trust対応メインストリーム(汎用)MCUだからです。STM32G0専用のLL APIアプリケーションよりも、汎用HAL APIアプリケーションの方が、Root of Trust実現には向いています。詳しくは、関連投稿:STM32G0/G4のRoot of Trust(2)を参照してください。

SW4STM32のSTM32CubeMXプロジェクトファイル(SimpleTemplate.ioc)を起点としてSTM32CubeIDEへ移設したProject Explorerが下図です。前章の右側:STM32CubeIDE新規プロジェクトと同じフォルダ構成で移設されていることが判ります。

STM32CubeMXプロジェクトファイル起点でSTM32CubeIDEへ移設
STM32CubeMXプロジェクトファイル起点でSTM32CubeIDEへ移設

但しこの方法では、SW4STM32でユーザ(筆者)が追加作成したファイル、前章左側:Launcher.c/Led.c/Lpuart.c/UserDefine.hは、手動で移設する必要があります。

まとめ

STM32CubeIDEの提供で、STM32MCU純正開発ツールラインナップが完成しました。
※STM32CubeIDE v1.3.0に残っていた日本語文字化けは、コチラの投稿方法で解決しました。

SW4STM32/TrueSTUDIOなどの従来IDEからSTM32CubeIDE 移設のメリットは、他のSTM純正開発ツール(STM32CubeMX/Programmer/Monitor)との好相性や新発売MCUデバイスへの早い対応です。

従来IDEプロジェクトの移設は、STM32CubeIDEプロジェクト変換機能を使うと簡単です。しかし、移設メリットを活かすには、旧IDEフォルダ構成から、STM32CubeIDE本来の構成となるSTM32CubeMXプロジェクト起点の移設を、弊社STM32Fx/G0xテンプレートへ適用します。

STM32CubeIDE対応の各テンプレート改版完成は、本ブログで発表します。

STM32G0/G4のRoot of Trust(2)

STM32G0/G4シリーズRoot of Trust実現の第2回目は、初めにRoot of Trustを実現するセキュア・ブートの説明にトライし、直にセキュア・ブートとセキュア・ファームウェア更新を実装するSTM32G4テンプレート開発環境の構築方法を示します。

セキュア・ブート説明をこまごま続けるよりも、具体的なRoot of Trust実現開発環境を示す方が、実務的(短絡的?)だからです。

セキュア・ブート

第1回紹介の日本語版UM2262、P1概要:セキュア・ブート説明を抜粋したのが以下です。

‘セキュア・ブート(信頼の起点となるサービス)は、システムリセット後に必ず実行される改変不可のコードで、無効なコードや悪意のあるコードを実行しないために、実行前に毎回STM32の静的保護を確認し、STM32実行時保護を有効化してから、ユーザアプリケーションコードの認証および整合性を検証します。’

英語直訳で難解です(各単語の事前理解が必要なセキュリティ関連説明は、殆どがこんな感じですが…)。

ただ、下線部:「必ず実行される改変不可のコード」なので、理解不足や多少間違って解釈しても、セキュア・ブートコードを実装すれば、それで十分かもしれません😅。

セキュア・ブート解釈

図1.セキュアブートの信頼の起点(出典:UM2262)
図1.セキュアブートの信頼の起点(出典:UM2262)

要は、ユーザが開発したアプリケーション実行前に、MCUが勝手に行うブート処理のセキュリティを高度にしたものがセキュア・ブート(SB)だと解釈します。

従来のブート処理は、リセット後、MCU内蔵クロック発振器の安定化待ちやRAM領域初期化などの処理を何の疑いもなく実行し、その後、ユーザ開発アプリケーションを起動していました。

セキュア・ブート処理は、前章のセキュア・ブート処理を行い(図1.①)、その結果をUM2262:9章の表6. 起動時エラーメッセージ(下表)で示すように認証し②、「エラーなし。成功。」時のみ、③ユーザ開発アプリケーションを起動します。

表6. セキュア・ブート起動時のエラーメッセージ(出典:UM2262)
表6. セキュア・ブート起動時のエラーメッセージ(出典:UM2262)

パソコンで例えると、従来ブートがBIOS起動、セキュア・ブートがUEFI起動に相当すると考えれば良いのかもしれません。

X-CUBE-SBSFUはHAL API補完

Root of Trust実現で使うSTM32Cube拡張パッケージ:X-CUBE-SBSFUは、STM32MCU間の移植性を重視しているためHAL(Hardware Abstraction Layer)ベースです。

弊社発売中のSTM32G0xテンプレート(Version1)は、高速性を活かすエキスパート向けLL(Low layer)APIが「主」、HAL APIは「従」としてSW4STM32で開発しました。しかし、STM32G0でのRoot of Trust実現には、HALベースのソフトウェア開発が適しています。

LL/HAL混在利用は、関連投稿:STM32CubeMXのLow-Layer API利用法 (2)の4章で示した注意が必要です。X-CUBE-SBSFUは、アプリケーション起動前のHAL利用で、起動後のユーザアプリケーションのLL利用の場合は、問題ないかもしれません。この点は、今後明らかにしていきます。

いずれにせよSTM32G0xテンプレートは、IDEをSW4STM32から新しいSTM32CubeIDEへ移設すると同時に、Root of Trust実現に向けHAL APIも「主」とし、STM32CubeIDEで「再開発」してVersion 2に改版する予定です。

セキュリティ関連の説明はここまでにして、STM32G4シリーズでRoot of Trust実現の具体的方法に移ります。

Root of Trust実現STM32G4テンプレート開発環境

Root of Trust実現にセキュア・ブート(SB)機能とセキュア・ファームウェア更新(SFU)機能を実装する汎用STM32G4シリーズのテンプレート開発環境は、以下とします。

  • 統合開発環境:STM32CubeIDE v1.3.0、2020/02/26
  • STM32Cube拡張パッケージ:X-CUBE-SBSFU v2.3.0、2020/01/17
  • STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474RE(Cortex-M4/170MHz、Flash/512KB、RAM/128KB)

この環境で実現するセキュリティ機能が、UM2262の6.1概要に記載されたものです。これら機能理解に不明確な部分もありますが、内容把握済み、これら機能実現ためX-CUBE-SBSFUを使うと割切ります。開発環境を使っているうちに、(多分)理解度が上がるでしょう😅。

なおUM2262日本語版は、英語版Rev5からの翻訳なのでサポートIDEにSW4STM32はありますが、新しいSTM32CubeIDEがありません。しかし、最新英語版UM2262 Rev6に、STM32CubeIDEが追加されましたので本ブログでもSTM32CubeIDEを使います。

また、セキュリティ機能をテストするNUCLEO-G474RE用サンプルアプリケーションもX-CUBE-SBSFUに添付されていますので、これを以降の説明に使います。

UM2262では、STM32CubeIDEを使ったRoot of Trust開発環境の構築手順が判りにくいので、以下に説明を加えます。

構築手順1:STM32CubeIDEへのRoot of Trust SW4STM32プロジェクトインポート

X-CUBE-SBSFU v2.3.0には、SW4STM32プロジェクトが添付されていますが、未だSTM32CubeIDEプロジェクトの添付はありません。

そこで、STM32CubeIDEのInformation CenterからImport SWSTM32 projectをクリックし、X-CUBE-SBSFU添付SW4STM32プロジェクトを変換(Import)し、STM32CubeIDEプロジェクトを新規作成します。

STM32CubeIDEのSW4STM32プロジェクトインポート
STM32CubeIDEのSW4STM32プロジェクトインポート

STM32G4評価ボード:NUCLEO-G474REのSW4STM32プロジェクト6個を、STM32CubeIDEへインポートする時のダイアログです。

Finishクリックで、プロジェクト毎に下図2回の同意を求められますので、OKをクリックします。

STM32CubeIDE Projects Converter
STM32CubeIDE Projects Converter

構築手順2:Root of Trustサンプルアプリケーションのコンパイル

インポートした6個のプロジェクトは、シングルファームウェアイメージ:NUCLEO-G474RE_1_Imageとデュアルファームウェアイメージ:NUCLEO-G474RE_2_Imageの2種類のサンプルアプリケーションです。

2種類のRoot of Trustサンプルアプリケーション
2種類のRoot of Trustサンプルアプリケーション

シングル/デュアルファームウェアイメージの違いは、次章で説明します。

このサンプルアプリケーションは、それぞれ図15のように、_SECoreBin、_SBSFU、_UserAppの順番でプロジェクトをコンパイルする必要があります。図示のように前段コンパイル生成出力を、次段コンパイル入力に使うからです。

図15. アプリケーションのコンパイルステップ(出典:UM2262)
図15. アプリケーションのコンパイルステップ(出典:UM2262)

この順番を守ってコンパイルした時のみ_UserAppの出力オブジェクトが生成されます。

Windowsセキュリティソフト(Avastなど)によっては、コンパイル途中でワーニングを出力することがありますが、暫く待つとコンパイルを継続します。

シングルファームウェアイメージとデュアルファームウェアイメージ

図15は、SBSFU処理後のFlashメモリ配置を示しています。

図15の右側黄色部分:アクティブなイメージ領域だけをSFU処理で使うサンプルアプリケーションが、シングルファームウェアイメージです。右側黄色部分の上側、イメージのダウンロード/バックアップ領域に、図2のネットワーク(②通信チャネル)経由の新しいファームウェアを一旦入れるのが、デュアルファームウェアイメージです。

図2.セキュアファームウェア更新プロセス(出典:UM2262)
図2.セキュアファームウェア更新プロセス(出典:UM2262)

デュアルファームウェアイメージは、SFU処理中に電源断で中断しても、電源復帰後にSFU継続が可能です。また、アクティブなイメージ領域で動作中アプリケーションと並行してダウンロードが可能です。

シングルファームウェアイメージは、新しいファームウェアを、アクティブなイメージ領域上へ直接更新します。

デュアルファームウェアイメージは、フェールセーフな分、Flash容量はシングル比、倍必要になります。一方、シングルファームウェアイメージは、ユーザが使えるFlash容量が大きいので、デュアルよりも大きなアプリケーション開発ができます。

※ここで使ったセキュリティ用語:ファームウェアイメージとは、STM32CubeIDEのコード生成ツールSTM32CubeMXがデバイス毎に用いるファームウェア(弊社ならFW_F0/F1/G0/G4)とは別物です。図15の黄色部分を示します。

*  *  *

以上で、STM32CubeIDEを使ったRoot of Trust実現のセキュア・ブート(SB)、セキュア・ファームウェア更新(SFU)機能を持つSTM32G4テンプレート開発環境の構築と、SBSFUに使うシングル/デュアルファームウェアイメージの2種サンプルアプリケーションを説明しました。

次回、このSTM32G4テンプレート開発環境とデュアルファームウェアイメージのサンプルアプリケーションを使って、Root of Trust実現の動作説明を予定しています。

STM32G0/G4のRoot of Trust(2)まとめ

  • 信頼の起点:セキュア・ブート(SB)は、リセット後に必ず実行される改変不可能コード。
  • SB処理後、エラーなし認証時のみ、ユーザアプリケーション起動。
  • STM32Cube拡張パッケージ:X-CUBE-SBSFUは、HAL API補完。
  • STM32CubeIDEでRoot of Trust実現のセキュア・ブート(SB)、セキュア・ファームウェア更新(SFU)機能実装STM32G4テンプレート開発環境と構築手順説明。
  • SBSFUアプリケーションのデュアルファームウェアイメージとシングルファームウェアイメージの特徴説明。

SB、SFU実現には、暗号化や図1/2/15掲載の鍵、セキュアエンジンなど、本稿で説明を省いた(すっ飛ばした)様々なセキュリティ処理が必要です。UM2262付録の章に、これら詳細が記載されています。

本質的なセキュリティ理解には、これら各処理の理解積重ねが必要だと思います。付録の章を一読しておくと、今後いろいろな場面で役立ちます。