3.3V MCUと5Vデバイスインタフェース

3.3V動作MCUに、5V動作デバイスを接続するインタフェースとして、

  1. 3.3V MCUの5V耐圧ピンで、5Vデバイス(例えばLCD)と接続
  2. MCUに5V耐圧ピンがない時は、間にレベルシフタを入れる

弊社投稿:MCUの5V耐圧ピンの要旨でした。本稿は、さらに2つ選択肢を追加し、4インタフェースを評価しました。

4インタフェース特徴と評価結果

3.3V MCUと5Vデバイス接続4インタフェースの特徴と評価結果
インタフェース 特徴 評価
1 MCU 5V耐圧ピン ピン数が足りれば追加コストなく信頼性も高い Good
2 レベルシフタ挿入 I2C/SPI接続でトラブル報告多く信頼性は低い Poor
3 CMOSロジック直結 開発MCUソフトウェアの動作確認に使える Average
4 バス・スイッチ挿入 高速性・信頼性ともに高くMCU低消費電力動作に理想的 Excellent

レベルシフタ挿入

入手性の良い秋月電子)8ビット双方向レベルシフタ:FXMA108の使用例を調べると、I2C接続時には期待通りの動作をしない情報がネット上に多数あります。原因は、アクティブデバイスFXMA108の双方向判定のようです。

I2C専用レベルシフタ:PCA9306使用例もありますが、MCUポート用途に応じてレベルシフタを使い分けるのは、コスト高を招きます。

CMOSロジック直結

3.3V MCUと5V動作デバイス直結(出展:5V系・3.3V系信号レベル変換掲載図を加工)
3.3V MCUと5V動作デバイス直結(出展:5V系・3.3V系信号レベル変換掲載図を加工)

コチラの投稿:5V系・3.3V系信号レベル変換を参照すると、3.3V系と5V系の間にレベルシフタなどのアクティブLSIデバイス挿入は不要、5Vデバイス出力から電流制限抵抗を入れれば3.3V MCU入力へ直結、MCU出力はそのまま5Vデバイス入力へ直結可能です。

直結は、アマチュア電子工作レベルのCMOSデバイス同士の接続でノイズ・マージンは減る、という但し書き付きですが、次章バス・スイッチのアプリケーション回路図と比べても遜色は少ないと思います。

MCU入力側には、5V CMOSセンサ、出力側には、5V LCD等の表示デバイス接続を想定します。このCMOSロジック直結を利用すると、3.3V動作MCU評価ボードと5Vデバイス間の接続に手間が少なく、開発するMCUソフトウェアの動作確認には好都合です。

もちろん、MCU評価ボードと5Vデバイス間の配線を短くツイストするなどのマージン減少対策は必要です(配線ツイスト効果は、コチラの弊社関連投稿を参照してください)。

バス・スイッチ挿入

SN74CB3T3245の代表的なアプリケーション(出展:SN74CB3T3245データシート)
SN74CB3T3245の代表的なアプリケーション(出展:SN74CB3T3245データシート)

前章の5V系・3.3V系信号レベル変換投稿で推薦されている2.5Vおよび3.3V、8ビットバス・スイッチ(5V耐圧付き):SN74CB3T3245をインタフェースに使う方法は、伝搬遅延がゼロに近く、双方向パッシブデバイスのためノイズにも強いなど、3.3V低電力動作MCUと5V動作デバイスのインタフェースとして理想的です。

※SN74CB3T3245は、ハードウェア開発で良く用いられるCMOSデバイスの双方向3ステートバッファ:SN74HC245を、より低電圧動作で高速化し5V耐圧も付加した高速CMOSデバイスです。Vcc=2.5Vなら、5V/3.3V入力から2.5V出力へのレベルシフトも可能です。

※付録に、動作電圧が異なるデバイス間の相互接続基礎知識を示しました。

3.3V MCUの5Vデバイス接続インタフェース評価

3.3V動作MCUに、5V動作デバイスを接続する4インタフェースを示しました。

  1. MCUの5V耐圧ピンで接続
  2. MCUと5Vデバイス間に、レベルシフタ挿入
  3. CMOSデバイス同士なら直結可能
  4. MCUと5Vデバイス間に、5V耐圧3V/2.5Vバス・スイッチ挿入

4インタフェース評価は、以下の実績、動作確認に基づいています。

1は、5V耐圧ピンありMCUの弊社テンプレートで、既に多くの動作実績があります。

2のレベルシフタ追加は、I2C接続の不具合情報がネットに多数ありますので、弊社確認は省きます。

3のCMOSデバイス直結は、開発中の3.3V MCU動作5V耐圧ピンなしのFRDM-KL25Zテンプレートソフトウェアで、5V LCDを接続し動作確認します。

4のバス・スイッチ挿入は、TIから数個サンプル入手が以前は簡単にできたのですが、現在は購入が必要です。SN74CB3T3245価格が100円以下と安いだけに送料が無視できず、何かのついでに購入予定です。それまで動作確認は保留します。ただ、データシートを見ると、3.3V MCUと5Vデバイス双方向接続インタフェースには理想的だと思います。

3と4どちらも、確認結果が判明次第、本ブログでお知らせします。

付録:デバイス相互接続の基礎知識

相互接続判定のロジック概要(出展:TIロジック・ガイドP4に加筆)
相互接続判定のロジック概要(出展:TIロジック・ガイドP4に加筆)

TI)ロジック・ガイドから、動作電圧が異なるデバイス間の相互接続判定方法(Judgement)とその結果(Results)を抜粋したのが上図です。

結果は、例えば5V CMOSデバイス同士ならYes=直結、3.3V LVTTL/2.5V CMOS/1.8V CMOSへはVOHはVIHより高く、VOLはVILより低いので、低圧入力側にVIHトレランス(耐圧)があればYes*=直結可能を示しています。

表から、5V CMOSデバイスのD(出力)は、全デバイスのR(入力)へ直結、またはVIH 耐圧で直結できるなど、広い適用範囲が判ります。センサの多くが5V CMOSデバイスでも、3.3V動作MCUとの間にSN74CB3T3245を入れさえすれば、簡単に高信頼インタフェースが実現できる理由です。



HTML版マンスリー・アップデートの見かた

図1 PDF版からHTML版へ変わったSTM32マイコン マンスリー・アップデート
図1 PDF版からHTML版へ変わったSTM32マイコン マンスリー・アップデート

STマイクロエレクトロニクスのSTM32マイコン マンスリー・アップデートがPDF版からHTML版に変わって3ヶ月経過しました。新しいHTML版の掲載フォーマットもほぼ固まったと思いますので、両者の比較結果を示します。

PDF版は、紙(Book)の置換えであるため、掲載文書内容と全体との関係、掲載ページも解りやすかったのに対し、ハイパーリンクのHTML版では、モバイルデバイスへ最適化したため、「コンテンツ重視の掲載へ変わった」、これが結論です。HTML版で見逃しがちな全体像との関係を明らかにするため、リンク集を別途作成しました。

※STマイクロエレクトロニクスの日本語MCU技術資料は、弊社ブログ掲載MCUベンダ中、最も優れています。STM以外のMCU開発中の方にも役立つ情報が、リンク集から得られると思います。

HTML版STM32マイコン マンスリー・アップデートの大項目タイトル

PDF版からHTML版へ変わったSTM32マイコン マンスリー・アップデートのタイトル比較
PDF版からHTML版へ変わったSTM32マイコン マンスリー・アップデートのタイトル比較

HTML版とPDF版のSTM32マイコン マンスリー・アップデート大項目タイトル(図1の赤囲いこみ部分)を比較すると、HTML版はPDF版よりも具体的内容を示すタイトルに変わっています。

実は、PDF版も大項目以下の中項目、小項目タイトルは、HTML版と同じでした。PCで読む(見る)ことが前提のPDF版は、一度に読めるページや範囲もスマホに比べ広く、目的記事への移動も簡単なため、更新内容の構造(大項目>中項目>小項目)が解りやすい掲載が可能でした。

一方、スマホで読む(見る)ことが前提のHTML版は、構造よりもそのタイトルを一目見ただけで読んでもらえる工夫が必要なうえ、表示はスマホの縦長連続ページのため移動に制約があり、コンテンツ重視のタイトル掲載に変わったのだと思います。

HTML版はコンテンツフィルタリングに適す

移動中やチョットした空き時間にスマホで情報をチェックすることは、COVID-19以前はよくありました。膨大なアップデート情報コンテンツが有用か無用かを瞬時に判断し、後で有用情報のみにアクセスすることで能率は向上します。

これは、コンテンツフィルタリングです。

HTML版は、フィルタリングに適す構成を簡単に作成可能です。要不要判断に最低限必須なタイトルとその概要を掲載し、「詳細はコチラ」でリンク先へジャンプする形式です。

フィルタリング結果をスマホへ上手く覚えさせておけば、より効率的です。

PDF版はスマホで操作しにくい

PDF版の内容の一部切取り(コンテンツ加工)や広範囲なコピー(コンテンツ抽出)は、スマホでは操作しにくく、結局全部保存か、または捨てる結果となります。PCならば、必要情報のみの加工・抽出・保存は簡単なのですが…😥。

つまり、スマホなどのモバイルデバイスとの相性が良いのがHTML版、PCと相性が良いPDF版とは掲載内容表現のしかたが異なる訳です。

従来の月刊PDF版は、その月の変更情報のみを抽出掲載し、しかも全体へもリンク表示するなど、読者(情報の受け手)寄りの手間がかかる編集でした。HTML版は、STマイクロエレクトロニクス(情報の送り手)が強調したいコンテンツに重きを置いた編集となっています。

HTML版の全体像リンク集

在宅勤務の増加に伴い、モバイルとPCの両デバイスを併用して能率を上げたいところですが、現状のHTML版では、難しいと思います。※全体像が判る従来のPDF相当が参照できるリンクが追加されれば別ですが、これには編集に二度手間がかかります。

そこで、月刊HTML版で見逃しがちな全体像との関係を明らかにするリンク集を、お節介ながら作成しました😅。

リンク内容 補足
マンスリー・アップデートバックナンバー HTML版:2020年6月号以降
PDF版:2017年1月号~2020年5月号
日本語MCU技術ノート Cortex-Mコア横断的な周辺回路Tips
日本語MCU開発のヒント
日本語トレーニング資料 Cortex-Mコア毎のセミナープレゼン資料
STM32マイコン開発環境 STM32CubeIDE/MXなどのダウンロードリンク
STM32マイコンファームウェア Cortex-Mコア毎のファームウェアダウンロードリンク
セミナー・イベント・キャンペーン セミナー開催予定/終了、キャンペーン一覧
Q&Aで学ぶマイコン講座 初心者向けMCU技術解説記事

あとがき

STM32マイコン マンスリー・アップデートに限らず殆どのアップデート情報は、モバイルファーストへ向けた「コンテンツタイトル+数行の概要+詳細はコチラ」の形式です。

全体像も見つつHTML版が強調する詳細コンテンツを理解・整理・記憶したい方には、多少効率が落ちるかもしれませんが本稿リンク集が役立つと思います。

繰返しになりますが、STマイクロエレクトロニクスの日本語MCU資料は、他社MCU開発中の方でも参考になる情報満載で、質・量ともに優れています。開発に行き詰まりが生じた時など、ベンダの壁を越えて参照すると、打開策が見つかるかもしれません。

アフターCOVID-19では、MCU開発のしかたも変わりそうです。丁度、ADAS(Advanced Driver Assistance System:先進運転支援システム)で自動車ソフトウェア開発が激変したように、エッジMCU開発も、IoTセキュリティ絡みで、より効率的で複雑な処理をこなせるように変化すると思います。

MCU開発の情報収集と生産性向上、両方にお役に立てば幸いです。

Linux Mintお勧め理由

PCへインストールするLinuxには、様々なディストリビューションがあります。ディストリビューションとは、Linux 本体とLibreOfficeなどの標準搭載アプリケーションを1パッケージにまとめ、利用者がLinuxインストールとその活用を即座にできるようにした配布形態のことです。

本稿は、これらディストリビューションの中で、筆者がLinux Mint 20 MATEエディション(64ビット)をWindows MCU開発環境トラブル発生時、代替に使えるLinuxディストリビューションとしてお勧めする理由を示します。

Linuxディストリビューション

2020年7月発表のWebサイト向けLinuxディストリビューションシェアを見ると、UbuntuやDebianなどがメジャーなディストリビューションであることが判ります。

様々なLinuxディストリビューション、特にUbuntuやDebian、Raspberry Pi用のRaspbianと本稿のLinux Mint概要は、コチラの情報が参考になります。用途、安定性/情報量/デザイン性などでディストリビューションを評価した結果が示されています。

Linux Mintとメジャーディストリビューションの差

UbuntuとLinux Mintの関係を、まとめました。

  • Ubuntuベースの派生形として、様々なデスクトップPCディストリビューション(Linux Mint)がある
  • Ubuntuは定期的にアップグレートされるが、主にセキュリティ修正のみでアプリケーションの大幅更新をしない5年長期サポート版:LTS版(最新は2020年4月リリース:Ubuntu Desktop 20.04)もあり、このLTS版に準ずる派生ディストリビューション(Linux Mint 20.x)がある
  • Ubuntuアプリケーションリポジトリ(公式アプリケーション保存庫)をそのまま使える派生ディストリビューション(Linux Mint)がある

MCU開発者の方は、EclipseベースIDE(EclipseベースIDE≒Ubuntu)なら、どれもほぼ同じユーザインタフェースで、同じプラグインが使えるのと同様と言えばご理解頂けると思います。

Ubuntuが最もシェアが高いのは、派生ディストリビューションのベースだからです。また、MCUベンダのLinux版IDEなどの説明書も、トップシェアUbuntu利用を前提に提供されます。

Linux Mintは、Ubuntu派生ディストリビューションの1つで、Linux特有のコマンド操作やリポジトリもUbuntuと同じです。また、UbuntuよりもWindowsやMacの操作に近いGUIを持ち、万一の際のシステムバックアップツール(TimeShift)も標準搭載済みです。

つまり、「Windows/Macユーザが、Linux Mintインストール後、Linux本体のカスタマイズは不要で、即MCU開発アプリケーションが利用できる点」が、Linux Mintをお勧めする最大の理由です。

※MCU開発アプリケーション(例えばNXPのMCUXpresso IDE、STMのSTM32CubeIDE)は、非搭載ですので、別途インストールは必要です。

Linux MintとメジャーディストリビューションUbuntuの主な差は、GUI、少し遅れるリリース時期と考えて頂ければ良いと思います。

Linux Mintの3エディション

Windows Home/Proと同様、Linux Mintにも、3種類のエディションがあります。

GUI処理の軽い方から、Xfce/MATE/Cinnamonエディションと呼ばれます。少し古い版ですが、Linux Mint 17 ユーザズガイドによると、どのエディションを使えば良いかわからない時は、METAエディションを使ってください、とあります。

筆者は3種類とも試しましたが、処理の軽さとメニューの解りやすさ、使いやすさからMETAエディションをお勧めします。

GUIは、好みの問題がありますので、3エディションをインストールして試すと良いでしょう。クリーンインストール所要時間は、せいぜい30分程度です。インストール方法は、まとめに記載しております。

まとめ:お勧めLinux MCU開発環境Linux Mint 20 MATEエディション(64ビット)

最新Ubuntu Desktop 20.04ベースで、Windows MCU開発環境トラブル発生時、代替に使えるLinuxディストリビューションとして、Linux Mint 20 METAエディション(64ビット)をお勧めする理由を示しました。

多発するWindows起因のトラブル発生時、Windows MCU開発に慣れた開発者が、MCU開発を中断することなくLinux環境で継続するには、Windows操作に近いGUI、LTS版のOS安定性、Linux特有コマンドへの情報量多さなどが必要で、これらを満たすのがLinux Mintです。

Linux Mint 20 METAエディション(64ビット)のPCインストール方法は、ユーザズガイドにも記載されていますが、コチラなどを参考にすると素早くインストールができます。

Linux Mint 20と旧版Mintシェアは、Mint公式ブログのMonthly News – July 2020によると、投稿時点では、32ビットPCにも対応した前版Mint 19.xのほうが高いのですが、いずれ逆転すると思います。全ての32ビットOS新規開発は、完了しました。

Mint 20標準搭載のLibreOfficeは、安定性重視のStill版v6.4.5です。カスタマイズ不要と書きましたが、Fresh版v7.0.0へ変更したい方は、コチラに方法が記載されています。



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。