ARMマイコンアーカイブ - IoT MCUのHappyTech

第2のRAサンプルコード

2022年3月18日2022年3月25日 WithHappy

ルネサスRAファミリ開発に評価ボード毎のサンプルコードが重要であることは、過去何回か投稿済みです。今回は、これとは別の、「Stacks毎」に提供される第2のサンプルコード利用方法を説明します。

RAプロジェクトソースコード開発手順

ごく簡単にRAプロジェクトのソースコード開発手順を説明すると、

1) 利用「Stack」をFSPパースペクティブへ追加
2) Generate Project Contentクリック
3) 生成されたDeveloper AssistanceのStack API群から、利用APIをソースコード上へコピー&ペースト

という3手順の繰返しです。Stackとは、MCU周辺回路のことです。

評価ボードサンプルコードは、あらかじめ1)～3)をエキスパートが行い、サンプルで利用するStackとStack APIは、エキスパートが選択済みの実動作プロジェクトです。

一方、開発者自らが、1)～3)手順でソースコード開発する時は、どのStackを追加するか、利用するAPIは何か、を検討する必要があります。この検討に必要な情報は、全てFSPパースペクティブへ配置したStackのℹ️から得られます。

ℹ️をクリックすると、Stack PropertiesのAPI infoタブ相当の英文解説が読めます。内容は、Function、Overview、Exampleなどです。API info表示内容と同じですが、より詳しい説明が得られます。

「Stack毎」に提供される第2のRAサンプルコードとは、このExampleのことです。

Low Power Modes (r_lpm)の例

MCUアプリケーションに、低電力動作は必須です。RAファミリには、スリープ/ソフトウェアスタンバイ/スヌーズ/ディープソフトウェアスタンバイの4低電力動作モードがあります。例えば、RA6E1グループユーザーズマニュアルハードウェア編の10章を参照ください。

電力消費の最も大きいMCUを停止するのが、スリープモードです。スリープからの復帰時間も短く、簡単で効果的な低電力動作が可能です。

RAファミリで低電力動作を行うには、FSPパースペクティブへ、最初の図に示したLow Power Modes (r_lpm)スタックを追加します。

Stackのℹ️とサンプルコード

追加Stack ℹ️クリックで表示されるのが、LPMの詳細説明です。LPMスタック追加で増える5個全てのLPM APIが解ります。また、スリープモードプロパティがデフォルト設定済みなのも解ります。

このスリープモードのExampleが、下記LPM Sleep Exampleです。

利用APIは、R_LPM_Open()とR_LPM_LowPowerModeEnter()の2個のみです。assert(FSP_SUCCESS == err)は、次章で説明します。

注意点は、この「Stacks毎」に提供されるサンプルコードは、一般的なサンプルコード構成、つまり、初期設定と無限ループ内処理の記述形式ではないことです（一般的サンプルコード構成については、コチラの関連投稿参照）。

ここで示されているのは、LPMスリープモード時に利用するAPIとその利用順序です。

つまり、最初にR_LPM_Open()でスタックAPI利用可否を判断し、次に、R_LPM_LowPowerModeEnter()でスリープ動作OKの判断をしているだけです。

LPM以外のStack Examplesでも同様です。繰返しになりますが、Stack Exampleは、利用APIとその利用順序を示します。

従って、自分のソースコードへ取込むには、Developer Assistance内に生成された5個のLPM APIから、R_LPM_Open()を初期設定へ、次に、R_LPM_ LowPowerModeEnter()を無限ループ内の適当な個所へ、コピー&ペーストすれば、LPMスリープモードのソースコードが完成です。

assert(FSP_SUCCESS == err)

assert()は、()内が真の時は、何もしません。偽の時は、発生場所や関数名、ファイル名などをコンソール出力し、プログラムを停止します。API利用後の結果判断に活用しています。

「Stacks毎」に提供されるサンプルコードでは、多くのStack API利用箇所で使われています。

lpm_fpb_ra6e1_wpと比較

lpm_fpb_ra6e1_wpのFSPパースペクティブとhal_entry.cのMain loop部分

評価ボード毎のサンプルコードにも、低電力動作サンプルがありますので、前章Stack Exampleと比較します。

RA6E1の場合は、lpm_fpb_ra6e1_epです。このFSPパースペクティブとhal_entryのMain loopの一部抜粋が上図です。多くのLPM関連スタックが追加済みで、Main loopの低電力動作を解読するのも大変です。

これは、評価ボードサンプルコードが、初めに示した4低電力動作モードの状態遷移を示すプロジェクトだからです。スリープ動作のみを実装する時は、前章LPM StackのExampleを参照した方が簡単に理解できます。

勿論、評価ボードサンプルコードとStack Example、両方を参考にしてソースコードを開発する方が良いことは言うまでもありません。

Stack Exampleが、評価ボードサンプルコード理解を助ける第2のサンプルコードとして役立つことを示したかった訳です。

追加Stacks一覧

本稿は、LPM Stackを例に第2のサンプルコードを説明しました。

FSPパースペクティブへ追加可能なStackは、Stackタブを選択後、右上のNew Stack>をクリックすると一覧表示されます。

まとめ

RAファミリのソースコード開発は、FSPパースペクティブへStackを追加後、一括生成されるDeveloper Assistance内の多くのStack API群の中から、利用APIを適切な順序でソースコードへコピー＆ペーストすることで進めます。

利用Stackに複数動作モードがあるなど評価ボードサンプルコードが複雑な場合や、開発者自らが利用Stack APIを検討する場合は、第2のサンプルコードとして、追加Stackのℹ️クリックで得られるExampleに示されるStack APIとその利用順序を参考に、ソースコード開発をする方法を示しました。

RAアプリケーション開発の骨格

2022年3月4日2022年3月11日 WithHappy

ルネサスRAファミリ評価ボードの動作テストプログラムと、周辺回路サンプルコードから判るRAファミリアプリケーション開発Tipsを示し、このTipsで開発したアプリケーション:App0を公開します。

評価ボードは、RA6E1を用いましたが、他のRAファミリ評価ボードでも同じです。

hal_entry.cとuser_main.c分離

RAファミリは、評価ボード毎にサンプルコードが提供されます。例えば、RA6E1の場合は、FPB-RA6E1 Example Project Bundleがそれで、この中にADCやタイマなどの周辺回路サンプルコードがあります。また、評価ボードテストプログラム：TP（quickstart_fpb_ra6e1_ep）も含まれており、他の周辺回路サンプルコード：EP（Exampleプログラム）とは少し違うファイル構造になっています。

違う原因は、EPが、コード判り易さのため、メイン処理をhal_entry.cに集中して記述するのに対し、TPは、様々な評価ボードへも対応するため、いわば汎用アプリケーション構造となっているからです。

簡単に言うと、FSPが生成するメイン処理：hal_entry.cと、ユーザ追記のメイン処理：user_main.cをファイル分離し、ユーザ開発部分の可搬性を上げた構造を持つのがTPです。

開発したMCUアプリケーションに可搬性があると効率的で生産性もあがります。TP同様、RAアプリケーションも、hal_entry.cとuser_main.cを分離した構造で開発する方法をお勧めします。

※FSP（Flexible Software Package）やサンプルコードの詳細は、コチラの関連投稿を参照ください。

SEGGER RTT Viewer利用

TPとEPには、もう1つ違いがあります。それは、EPには、PC入出力マクロが実装済みの点です。

例えば、gpt_fpb_ra6e1_ep（最初のgptが汎用PWMタイマ、fpb_ra6e1が評価ボード、epがExample Programを示す）ならば、タイマ利用例をPCへ出力し、その設定値をPCから入力できます。

対PC通信にはUSB経由Virtual COMポートを利用する評価ボードが多いのに対し、ルネサスRAファミリは、評価ボード実装デバッガのSEGGER RTT Viewerをこの役目に使います。USARTなどのMCU資産を消費しないメリットがあります。

PCでRTT Viewerを使うには、コチラからJ-Link Software and Documentation Packをダウンロードし、PCへインストール後、J-Link RTT Viewer起動で評価ボードとPC通信ができます（最初の図）。

但し、RA6/4などCortex-M33コアファミリ開発の場合は、ビルド後生成されるmapファイルからRTT Control Block Addressを探し、Viewer起動ダイアログへ入力する必要があります。

プログラム変更やFSP版数が変わると、このBlock Addressも変わるので、生成mapファイルAddress値の再入力が必要です。

RAアプリケーション開発時にも、このPC通信マクロが使えるとprintf/scanfの代用になり便利です。FSP生成プロジェクトでPC通信マクロを利用するには、生成プロジェクトのsrcフォルダへ、SEGGER_RTTとcommon_utili.hの両方を手動で追加します。

追加元のSEGGER_RTTとcommon_utili.hは、どのEPのものでも構いません。

App0特徴

以上から、RAアプリケーション開発時は、FSPが生成するオリジナルファイルに

①HAL生成メインhal_entry.cとユーザ追記メインuser_main.cを分離したファイル構造
②srcへSEGGER_RTTとcommon_utility.hの手動追加

を行うと、ユーザ開発ソースコードのRAファミリ間での可搬性が高く、PC通信も容易なアプリケーションの骨格（Skelton）が完成します。

この方法で開発したアプリケーション：App0を示します。タイトルをPCへ出力するだけのアプリケーション骨格です。この骨格に、開発ソースコードを肉付けしていけば、肉付けソースコードのRAファミリ間可搬性が高く、デバッグ効率も高いアプリケーション開発ができます。

開発したApp0プロジェクト圧縮ファイルは、コチラよりダウンロード可能です。ご自由にご利用ください。

e2 studioへのインポート方法は、インポート>既存プロジェクトをワークスペースへ>アーカイブ・ファイルの選択で、App0.zip指定です。

App0開発手順

以下にApp0プロジェクトの作成手順を示します。

1）FSPで新規Bare Metal – Minimalプロジェクト生成
2）App0 FSPパースペクティブでGenerate Project Contentクリック
3）他の周辺回路サンプルコードのsrc>SEGGER_RTTとcommon_utility.hをコピーし、App0プロジェクト>srcフォルダへペースト
4）src>hal_entry.cのL3へextern void UserMain(void)追記、L19へUserMain()追記
5）src上で新規>ソース・ファイルをクリックし、UserMain.c追加
6）src上で新規>ヘッダー・ファイルをクリックし、UserDefine.h追加
7）UserMain.cとUserDefine.hへ、前章ソースコード追記
8）ビルドし、Debug>App0.mapファイルから_SEGGER_RTTを検索、そのアドレスを、RTT Viewer起動ダイアログのRTT Control Blockへ入力後OKクリック
9）評価ボードへApp0をダウンロード、実行
10）PCのRTT Viewerで図1のタイトル出力確認

4、5、6の追加ファイル名は、UserMain.c、UserDefine.hなど先頭大文字のPascal形式を用いています。これは、プロジェクト・エクスプローラーでオリジナルのFSP生成ファイルとユーザ追加ファイルの識別が容易になるからです。

また、筆者は、Cソース・ファイル毎にヘッダー・ファイルを追加するより、ソース・ファイル内にプロトタイプ宣言を追記し、個別ヘッダー・ファイルを追加しない方が好みです。4のhal_entry.cへUserMainプロトタイプ宣言を追記したのも、このためです。

UserMain()は、初期設定と無限ループに分け、初期設定にRttInit()とUserInit()を追加しています。RttInit()でタイトルをPCへ出力し、UserIint()は、内容が何もありません。骨格ですので、利用する周辺回路に応じて、ここへ初期設定コードを追記することを想定しています。

まとめ

RAファミリ評価ボードテストプログラムと周辺回路サンプルコードから、hal_entry.cとuser_main.cの分離ファイル構造と、RTT Viewer利用の対PC通信マクロ実装済みのアプリケーションスケルトン（骨格）：App0を示しました。

この骨格へ、開発ソースコードを追加していけば、ユーザ追加部分のRAファミリ間可搬性が高く、デバッグ効率も高い、RAファミリアプリケーションが開発できます。

もちろん、3月末を目標に開発中のRAファミリテンプレートも、このApp0へ評価ボード実装LED点滅やチャタリング対策済みSW機能などを追加します。RAファミリテンプレート構想はコチラの4章、RAテンプレートの仕組みはコチラの関連投稿を、参照ください。

RAテンプレート仕組み

2022年2月18日2022年2月25日 WithHappy

ルネサスRAファミリテンプレート（ベアメタル編）を3月末目標に開発中です。サンプルコード活用・流用によるアプリケーション開発が容易なことが、弊社テンプレートの特徴です。このテンプレート仕組みを “少しだけ(!?)” 説明します。

全部説明すると、読者ご自身でテンプレートを開発し、購入者数が減るかもしれないからです😂。

仕組みまとめ

テンプレートの仕組みを “少し” しか説明しないので、まとめを最初に示します。

MCUアプリケーション早期開発は、ベンダ提供の公式サンプルコード活用・流用が王道です。しかし、単機能の利用例を判り易く示すことが目的のサンプルコードでは、複数機能の並列実装が困難です。

MCU開発の最初の壁が、この「サンプルコードを、どのように実開発へ利用するか」です。

既に弊社テンプレートの購入者様、または上級者は、この壁を突破し効果的サンプルコード活用アプリケーション開発方法を知っています。Know-how（ノウハウ）です。

サンプルコード利用時の課題は、「無限ループ」です。

この課題に、弊社テンプレートは時分割で対応しました。説明を更に加えると、読者がご自分でテンプレート相当を開発される危険性がありますので、仕組み説明はここまでにします。

以降の章は、サンプルコード課題の具体例を示します。また、この課題が生じる原因、特にRAファミリ開発でFSPサンプルコードが重要である訳を説明、最後にテンプレートのメリットを示します。

RAファミリに限らずプロトタイプ開発や早期アプリケーション開発が目的の弊社テンプレートにご興味がある方は、テンプレートサイトに主要ベンダテンプレートが各1000円で販売中、概要は無料ダウンロード可能です。

※RAファミリテンプレート（ベアメタル編）も1000円予定。FreeRTOS対応アプリケーションテンプレートのみ2000円。RAファミリテンプレートもV2以降でRTOS対応予定。

販売テンプレートには、本稿で説明できない多くの工夫も実装済みです。ダウンロード概要を読んで、自作されるよりも、弊社から是非ご購入ください😌。

サンプルコード課題の具体例

サンプルコードを実開発へ利用する時の課題、具体例を示します。

RAファミリ評価ボードのテストプログラム：TPです（プロジェクト名：quickstart_fpb_re6e1_ep）。電源投入後、搭載LEDが点滅し、SW押下げで点滅間隔が変わり、評価ボードの正常性をテストします。

このTPのuser_main部分を抜粋しました。評価ボードにより多少異なりますが、基本動作は同じです。

LED点滅間隔は、無限ループ内のR_BSP_SoftwareDelay(g_delay)が決めます。このR_BSP_SoftwareDelay処理中は、MCUを独占するため、他の処理はできません（割込み処理は除く）。

MCUの並列処理は、RTOS利用が常套手段ですが、RTOS理解やベアメタル比大きな処理能力とRAMが必要です。

そこで、RTOSを使わずにベアメタルで並列処理をするため、LED点滅を時分割処理し、空き時間に別処理を実行するのが、テンプレートの仕組みです。

サンプルコード課題の原因

サンプルコードの構造は、基本的な「初期設定」＋「無限ループ処理」です（基本のキ：組込み処理参照）。

この構造で、①内蔵周辺回路の初期設定 → ②周辺回路の監視（時間消費も含む）→ ③監視結果の処理実行を行います。②と③を、無限ループ内で繰返します。

①初期設定と③結果処理は、開発アプリケーションへそのまま流用ができます。問題は、結果処理以外の無限ループ内が全て監視（時間消費）になる点です。監視中は、他の処理はありません。

つまり、周辺回路のMCU「専用」利用例という訳です。専用ですから、監視結果の処理実行が有ろうが無かろうが問題はありません。

ところが、1つの無限ループ内へ、単純に別周辺回路の「②監視と③結果処理」を入れると、無限ループは、周辺回路「専用」から「共用」へ変ります。

共用する他の周辺回路の監視結果処理の実行有無に応じて、もう1つの周辺回路の監視結果起動間隔も変わります。起動間隔が変わっても問題ない場合もありますが、多くの場合、問題でこれが課題です。

例えば、ウオッチドックタイマ定時リセットや、前章のLED点滅間隔などです。

共用無限ループ内の別サンプルコード処理有無により、当該サンプルコード処理間隔が変わるという問題は、開発初心者には簡単に解決できない大きな壁：課題です。

FSPサンプルコードが重要な訳

RAファミリ共通のHAL API生成ツールがFSPです。FSPのBoard Support Package （BSP）とHardware Abstraction Layer （HAL）Driversが、評価ボードとRA MCU差を隠蔽し、RAファミリ共通APIをGUIで生成します。

Boardは、評価ボードを指しますが、ユーザ独自開発ボードでも、BSPだけを変更すれば、評価ボードを使って開発したソフトウェアが、そのまま独自開発ボード上でも動作します。

つまり、FSPは、プロトタイピング開発に適したツールです。RAファミリアプリケーションの早期開発ポイントは、FSP活用です。但し、FSPソフトウェア開発者は、知っておくべき作法があります。

例えば、2章で示したGPIO制御前後のR_BSP_PinAccessEnable()やR_BSP_PinAccessDisable()などです。これらは、BSP GPIOレジスタの電圧レベルアクセス制御許可/禁止を設定します。

仮に、R_BSP_PinAccessEnable()をコメントアウトすると、ビルドは成功しますがLEDは点滅しません。ワーニングなどもありませんから、作法を知らないと点滅しない原因は、まったく不明になります。

これらは、GPIOアクセスとセットで知るべき作法です。このような作法は、分厚いFSPユーザマニュアルのどこかに記載されているハズですが、ルネサスエキスパートが提供するサンプルコードからセットで抜き出し、そのまま利用する方が簡単です。

※BSP GPIOアクセスの代わりに、上記許可/禁止追記不要なHAL GPIOアクセスもあります。コレも作法の1つです。

また、ルネサス独自内蔵周辺回路：イベントリンクコントローラのサンプルコードなども、同一MCUコア利用の競合他社差別化に役立つかもしれません。
※イベントリンクコントローラは、MCUを介さずに周辺回路間の連携動作が可能なハードウエア。

マニュアルよりもサンプルコードを読み、評価ボードで試す、“習うより慣れよ” です。

FSPサンプルコードは、このような作法や差別化ヒントが詰まった宝庫です。RAファミリアプリケーション開発には、必読書です。

FSP開発例はコチラ、評価ボードサンプルコードは、コチラの関連投稿も参照ください。

テンプレートメリット

本稿では、しばしば “そのまま” という太字キーワードがでてきます。MCUアプリケーション開発は、ベンダ公式サンプルコードが、そのまま利用・活用する部分と、開発者が “工夫を加える部分” とを、素早く見極める目：Know-howも必要です。

Know-how獲得には、弊社テンプレートとMCU評価ボード＋Baseboardが、お役に立てると思います。テンプレートもアプリケーションの1つなので、テンプレートへ追記した豊富な日本語コメントで、そのまま流用している部分と、工夫を加えた部分がソースコード上で確認できるからです。

テンプレートを活用し、アプリケーションをプロトタイピング、次ステップでプロトタイプアプリをチューニングし、完成度を上げます。

プロト目的は、アプリ早期開発、この目的に、ベンダ公式サンプルコード流用・活用と弊社テンプレートを利用します。

既製品の流用・活用・利用は、物足りなく感じる方もいるかもしれません。しかし、弊社テンプレートは、チューニング時、開発者が工夫を追加できる余地がいくらでもあります。アプリ完成度向上には、ご購入者独自の工夫も大切ですので、ご安心ください😁。

Bluetooth 5.3 LE対応RA開発中

2021年10月29日2021年12月4日 WithHappy

2021年10月21日、ルネサスは、最新規格Bluetooth 5.3 Low Energy（LE）対応のRAファミリ新MCUを開発中と発表しました。RA搭載予定のBluetooth 5.3 LE機能と、ルネサス32ビットMCU におけるRAファミリの位置づけを示します。

搭載予定の最新Bluetooth 5.3 LE機能

PCとキーボード、スマホとヘッドホン間など近距離低消費電力無線通信規格としてBluetooth 5は、広く用いられています。MCU搭載例も多く、本ブログでも何件か投稿してきました（STマイクロのSTM32WB、Cypress/InfineonのPSoC6、NXPのKW41Z、Bluetooth 5規格）。

RAファミリでもBluetooth 5対応RA4W1が発売中です。開発中のRAは、新規格Bluetooth 5.3対応MCUです。

Bluetooth SIGが2021年7月13日に発表した新規格Bluetooth 5.3は、Bluetooth 5に、スループットと信頼性、エネルギー効率向上など様々な機能を追加しました。詳細は、Bluetooth SIG サイトのBluetooth Core Specification v5.3で判ります。

開発中の新RAには、これらBluetooth 5.3機能に加え、Bluetooth 5.1で追加された方向検知機能、Bluetooth 5.2で追加されたステレオオーディオ伝送用アイソクロナスチャネルも対応予定です。また、ソフトウェア無線（SDR）機能の搭載により、後日リリースされる新たな規格への移行も可能だそうです。

つまり、新RAは、Bluetooth 5以降の新Bluetooth機能満載のIoT MCUで、しかも、SDRにより新しい機能追加も可能な、“万能”近距離低消費電力無線通信付きIoT MCUになりそうです。

2022年1～3月サンプル出荷予定

最新規格Bluetooth 5.3 Low Energy対応、開発中RA MCUのサンプル出荷は、2022年第1四半期（1～3月）が予定されています。

RAファミリ位置づけ

独自コア、ARMコア、開発環境など様々なルネサス32ビットMCUファミリ差が一目で判る図が、コチラの記事にあります。

IoT MCU開発者の立場からRAファミリを分析すると、

・ARM Cortex-M33/M23/M4コア採用でIoTセキュリティ強化
・Eclipse IDEベースのKeilやIARなどのARM Ecosystemと無償GNUコンパイラが使える

などRXファミリやSynergyでは不可能であった、手軽で低コスト、個人レベルでも開発可能な32ビットIoT MCUと言えます。

RAファミリ向けルネサスEcosystemは、Eclipse IDEベースのe2 studioです。また、RAファミリ専用Flexible Software Package（FSP）によるAPI生成ツールは、ピン互換性、周辺回路共通性があるため、RAファミリ内での開発ソフトウェア移行や移植も容易になる特徴があります。

無償GNUコンパイラのFlash容量制限などもありません。

RAファミリ開発方法

開発中のBluetooth 5.3 LEが新たに周辺回路に追加されますが、e2 studioやFSPによるRAファミリ開発方法は、汎用RA MCUのRA4E1 Fast Prototype Boardの使い方や、FreeRTOSの使い方と同じです。

RAファミリ開発の早期着手、習得したい方は、上記リンクを参考にしてください。

Flexible Software Package v3.4.0更新

FSPは、10月7日にv3.4.0へバージョンアップしました。

e2 studio 2021-10のHelp>check updatesではFSP v3.3.0から自動更新しません。FSPサイトから最新v3.4.0をダウンロードし、手動でアップグレート更新する必要があります。

v3.4.0を別の場所にインストールすれば、旧v3.3.0との併存も可能です。

IoVとIoT

2021年10月1日2021年12月11日 WithHappy

IoV：Internet of VehiclesやV2X：Vehicles-to-Everything通信により、車載半導体チップとソフトウェア需要が指数関数的に増加、ユーザの自動車選択基準が、エンジンなどのメカから車載ソフトウェアへ移行しつつある、という記事がEE Timesに記載されました。

これらIoV状況が、IoTへ与える影響について考えてみました。

IoVとIoT

車のカタログから、エンジン特性や足回りのメカ説明が消え、スマホ連動性や運転支援など車載ソフトウェアによるサービスの説明に変ったのはここ数年です。記事によると、車の新しいユーザ選択基準になりつつあるカーエレクトロニクスが、半導体業界にとってはスマホ以来の最大チャンスだそうです。

また、「CASE」で車載半導体はどう変わるのか（2021年9月15日、EE Times Japan）でも、自動運転と電動化が今後の車載半導体動向を左右すると結論付けています。
※CASE：Connected（通信機能）、Autonomous（自動運転）、Shared＆Services（共有化/サービス化）、Electric（電動化）

年々向上するユーザのソフトウェア指向を満たす車載IoV業界、COVID-19の影響で停滞気味の民生IoT業界とは雲泥の差です。

車載半導体需要予測は初めの記事数値を参照して頂くとして、両記事のポイントは、ソフトウェア差別化や付加価値追加には、カスタムチップまたは、IP（Intellectual Property）などの組込みハードウェアが効果的という点です。これらIPには、セキュリティやエッジAIなどIoTへ流用できるものが数多くあります。

従って、IoVは、結果としてIoTも牽引すると思います。

但し、世界的半導体不足が続く状況では、優先度、調達コスト、多くの数量が確実に見込めるIoVが優勢、IoTはこの影響で、しばらくチップ供給不足や停滞が続くでしょう。

停滞気味のIoT側開発者として今できることは、IoV同様、IoTソフトウェア差別化に備えることだと思います。

IoT MCUのTrustZone、SOTB

IoTの観点から、IoTソフトウェア差別化や付加価値追加のための組込みIPと言えば、ARM TrustZone内蔵Cortex-M33コア、ルネサスの新製造プロセスSOTB：Silicon On Thin Buried Oxideなどが相当します。

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）

例えば、TrustZoneが、高いセキュリティ効果を発揮するのはご存知の通りですし、SOTB製Cortex-M0+搭載ルネサスREファミリは、超低スタンバイ電流により太陽光発電環境などのエナジーハーベストでも電池交換不要を実現するなどです。

SOTBは、超低消費電力動作と高速動作を両立する革新的製造プロセスです。全てのルネサスMCUへ採用すれば強力な差別化技術になると思いますが、今のところ出し惜しみなのか（！？）戦略的なのか、REファミリにのみ採用中です。

一見、ASSP：Application Specific Standard Produceのようですが、これら差別化技術は、汎用MCUに採用された時に最も効果を発揮します。

従来のエッジMCUでの単純なアナログデジタル変換に加え、セキュリティや超低電力動作などのIoT化に伴う付加機能がIoT MCUには必須です。IoT付加機能内蔵MCUが、汎用IoT MCUになります。

IoT開発者は、これらIoT付加技術を今のうちに習得しておくことが必要です。

IoVとIoTの最も大きな差は、車載と民生半導体の電源仕様でしょう。IoVは、EV（Electric Vehicle）のモータ高出力要求に伴いバッテリーが12V供給から48Vへ高電圧化しつつあり、万一の耐圧やフェイルセーフが求められます。IoTは、低電圧（≦3.3V）電源で低圧化しつつあります。

RA/REテンプレート構想

残念ながらSOTB製REファミリ評価ボードは、まだ値段が高く、個人レベルでは手が出しにくい状況です。そこで、SOTBプロセスではありませんが、REファミリとソフトウェア互換性があると思われるCortex-M33コア搭載ルネサスRAファミリを、弊社テンプレート対象にと考えています。

RAファミリは、TrustZoneでIoTセキュリティへ対応しています。また、9月22日発売のRAファミリRA4E1グループの評価ボード：RA4E1 Fast Prototype Boardは、20米ドル台と低価格です。ルネサス独自コアではないため、コンパイラFlash容量制限もありません。

FPB-RA4E1 Fast Prototyping Board（出典：クイックスタートガイド）

RL78/G1xテンプレートから新しいルネサスMCUをテンプレート対象に出来なかった理由の1つが、この容量制限です。ARMコア他社同様、GNUまたはARM Compiler V6が、e2 studioでRAファミリ開発に無償で使えます。

今のところRAテンプレートは、REへも使えると考えています。ARMコア差は、CMSIS：Cortex Microcontroller System Interface Standard やHAL：Hardware Abstraction Layerで吸収できるハズだからです。

ADC、SW、LED、UART（VCOM）などのIoT MCU基本動作をRA/REテンプレート共通部分でサポートし、TrustZoneや超低電力動作などRA/RE特徴を活かす部分は、共通部分へ特徴サンプルコードを追加する方法で実現できれば嬉しいと考えています。構想段階ですが、詳細は今後投稿します。

Cortex-M4評価ボードRTOSまとめ

2021年8月27日2021年12月12日 WithHappy

低価格（4000円以下）、個人での入手性も良い32ビットARM Cortex-M4コア評価ボードのRTOS状況を示します。超低価格で最近話題の32ビット独自Xtensa LX6ディアルコアESP32も加えました。

Vendor	NXP	STマイクロ	Cypress	Espressif Systems
RTOS	FreeRTOS Azure RTOS	CMSIS-RTOS	FreeRTOS Mbed OS	FreeRTOS
Eva. Board	LPCXpresso54114	NUCLEO-G474RE	CY8CPROTO-063-BLE	ESP32-DevKitC
Series	LPC54110	STM32G4	PSoC 6	ESP32
Core	Cortex-M4/150MHz	Cortex-M4/170MHz	Cortex-M4/150MHz Cortex-M0+/100MHz	Xtensa LX6/240MHz Xtensa LX6/240MHz
Flash	256KB	512KB	1024KB	480KB
RAM	192KB	96KB	288KB	520KB
弊社対応	テンプレート販売中	テンプレート開発中	テンプレート検討中	未着手

※8月31日、Cypress PSoC 6のRTOSへ、MbedOSを追加しました。

主流FreeRTOS

どのベンダも、FreeRTOSが使えます。NXPは、Azure接続用のAzure RTOSも選択できますが、現状はCortex-M33コアが対応します。ディアルコア採用CypressのRTOS動作はM4側で、M0+は、ベアメタル動作のBLE通信を担います。STマイクロのCMSIS-RTOSは、現状FreeRTOSをラップ関数で変換したもので実質は、FreeRTOSです（コチラの関連投稿3章を参照してください）。

同じくディアルコアのEspressifは、どちらもRTOS動作可能ですが、片方がメインアプリケーション、もう片方が通信処理を担当するのが標準的な使い方です。

価格が上がりますがルネサス独自32ビットコアRX65N Cloud Kitは、FreeRTOSとAzure RTOSの選択が可能です。但し、無償版コンパイラは容量制限があり、高価な有償版を使わなければ開発できないため、個人向けとは言えません。

※無償版でも容量分割と書込みエリア指定など無理やり開発するトリッキーな方法があるそうです。

クラウドサービスシェア1位のAWS（Amazon Web Services）接続用FreeRTOSが主流であること、通信関連は、ディアルコア化し分離処理する傾向があることが解ります。

ディアルコア

ディアルコアで通信関連を分離する方式は、接続クラウドや接続規格に応じて通信ライブラリやプロトコルを変えれば、メイン処理側へ影響を及ぼさないメリットがあります。

例えば、STマイクロのCortex-M4/M0+ディアルコアMCU：STM32WBは、通信処理を担うM0+コアにBLEやZigBee、OpenThreadのバイナリコードをSTが無償提供し、これらを入れ替えることでマルチプロトコルの無線通信に対応するMCUです。

メイン処理を担うM4コアは、ユーザインタフェースやセンサ対応の処理に加え、セキュティ機能、上位通信アプリケーション処理を行います。

通信処理は、クラウド接続用とセンサや末端デバイス接続用に大別できます。

STM32WBやCY8CPROTO-063-BLEが採用した末端接続用のBLE通信処理を担うディアルコアのCortex-M0+には、敢えてRTOSを使う必要は無く、むしろベアメタル動作の方が応答性や低消費電力性も良さそうです。

一方、クラウド接続用の通信処理は、暗号化処理などの高度なセキュティ実装や、アプリケーションの移植性・生産性を上げるため、Cortex-M4クラスのコア能力とRTOSが必要です。

デュアルコアPSoC 6のFreeRTOS LED点滅

デュアルコアPSoC 6対応FreeRTOSテンプレートは、現在検討中です。手始めに表中のCY8CPROTO-063-BLEのメイン処理Cortex-M4コアへ、FreeRTOSを使ってLED点滅を行います。

と言っても、少し高価なCY8CKIT-062-BLEを使ったFreeRTOS LED点滅プログラムは、コチラの動画で紹介済みですので、詳細は動画をご覧ください。本稿は、CY8CPROTO-063-BLEと動画の差分を示します。

CY8CPROTO-063-BLE のCortex-M4とM0+のmain_cm4.c、main_cm0p.cとFreeRTOSConfig.hが下図です。

PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLE FreeRTOS LED点滅のmain_cm4.cとmain_cm0.c

PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLEのFreeRTOSConfig.h

日本語コメント追記部分が、オリジナル動画と異なる箇所です。

RED LEDは、P6[3]ポートへ割付けました。M0+が起動後、main_cm0p.cのL18でM4システムを起動していることが判ります。これらの変更を加えると、動画利用時のワーニングが消えCY8CPROTO-063-BLE でFreeRTOS LED点滅動作を確認できます。

PSoCの優れた点は、コンポーネント単位でプログラミングができることです（コチラの関連投稿：PSoCプログラミング要点章を参照してください）。

PSoC Creator起動時の上図が示すように、Cypressが想定したアプリケーション開発に必要なコンポーネントの集合体が、MCUデバイスと言い換えれば解り易いでしょう。つまり、評価ボードやMCUデバイスが異なっても、使用コンポーネントが同じなら、本稿のように殆ど同じ制御プログラムが使えます。

PSoC 6 FreeRTOSテンプレートも、単に設定はこうです…ではなく、様々な情報のCY8CPROTO-063-BLE利用時ポイントを中心に、開発・資料化したいと考えています。PSoCプログラミングの特徴やノウハウを説明することで、ご購入者様がテンプレートの応用範囲を広げることができるからです。

STM32RTOS開発3注意点（後編）

2021年7月21日2021年12月11日 WithHappy

STM32MCUでRTOS開発を行う時の3注意点、前編のSTM32CubeMX、HALに続き、本稿後編でCMSIS-RTOS関連を示します。

※木曜からの東京オリンピック4連休のため、通常金曜を本日水曜日に先行して投稿します。

前編は、STM32RTOS開発実例として、NUCLEO-G474RE FreeRTOS_QueuesサンプルプロジェクトのSTM32CubeMX（以下CubeMX）コード出力を使い、HALタイムベース変更の必要性を示しました。後編は、前編と同じ実例を使ってCMSIS-RTOSの注意点を示します。

FreeRTOS_Queues STM32CubeMXファイルのTasks and Queues

NUCLEO-G474RE FreeRTOS_QueuesサンプルプロジェクトのCubeMX構成ファイル：FreeRTOS_Queues.icoを開き、Middleware>FREERTOSのTasks and Queuesタブをクリックしたのが下図です。

FreeRTOS_QueuesのSTM32CubeMXファイルTasks and Queues

2つのタスク：MessageQueuePro（Ｑプロデューサ：送信タスク）とMessageQueueCon（Ｑコンシューマ：受信タスク）と、1つのQ：osQueue（深さ1：ワード）を、CubeMXで自動生成するパラメタが設定済みです。関連投稿：NXP版FreeRTOSのQueueデータ送受信と同じです。

全て黒文字パラメタですので、変更も可能ですが、このままソースコードを自動生成（Alt＋K）してください。

CMSIS-RTOS APIからFreeRTOS API変換（wrapper）

main.cのL125に、osQueueを生成するAPI：osMessageCreateが自動生成済みです。また、L134とL138に、MessageQueueProとMessageQueueConのタスク（Thread）を生成するAPI:osThreadCreateも自動生成済みなのが判ります。

ここで、API先頭にosが付くのは、CMSIS-RTOSのAPIだからです（L145のosKernelStartも同様）。詳細は、次章で説明します。

さて、L125のosMessageCreateへカーソル移動し、F3をクリックすると、cmsis-os.cのL1040へジャンプし、CMSIS-RTOS APIのosMessageCreateの中身が見えます。その中身が、L1055のxQueueCreateで、これはFreeRTOSのAPIです。

つまり、CubeMXが自動生成したのは、CMSIS-RTOS APIですが、その実体は、FreeRTOS APIであることが判ります。
この例のように、CubeMXが生成したCMSIS-RTOS APIは、cmsis_os.cで全てFreeRTOS APIへ変換されます。

CMSIS-RTOS

CMSIS-RTOSは、Cortex-Mコア開発元ARM社が定めたRTOS APIの規格です。
※CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard

Cortex-Mコアには、FreeRTOS/Azure RTOS/mbed OSなど様々なRTOSが使えます。下層のRTOSが変わるとAPIも変わりますが、そのAPIを変換し、上層アプリケーションへ共通なRTOS APIを提供する、これにより、

RTOSが異なっても、同じ開発アプリケーションが使えること
Cortex-Mコアが異なっても、開発アプリケーション移植を容易にすること

これらがCMSIS-RTOSの目的です。

これをラップ（wrap＝…を包む）と呼ぶことがあります。ラップ関数（wrapper）とは、下層API差を隠蔽し、上層アプリケーションへ同一APIを提供する関数のことです。STM32RTOS開発でのCubeMXの役目の1つは、使用するRTOSに応じたwrapperを提供することです。

現在、STM32RTOS開発のCubeMXがラップしているのは、FreeRTOSだけです。今後、FreeRTOSがAzure RTOSなどへ変わっても、開発アプリケーションをそのまま活用するために、今の時点からCMSIS-RTOS APIを使っている訳です。

Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7コア向けの共通RTOS APIがCMSIS V1、Cortex-A5/A7/A9と全Cortex-Mコア向けの共通RTOS APIがCMSIS V2です。STM32RTOS開発では、CMSIS V1を用います。

CMSIS-RTOS とFreeRTOSのAPI

UM1722にCMSIS-RTOS APIとFreeRTOS APIの一覧が示されています。抜粋したのが下表です。

接頭語にx/vなどが付くのがFreeRTOS API、osが付くのがCMSIS-RTOS APIです。

CubeMXが生成するコードは、常にCMSIS-RTOS APIですが、実体はFreeRTOS APIです。FreeRTOSが別のRTOSへ変わっても、CMSIS-RTOS APIは同じです。CMSIS-RTOS APIとFreeRTOS APIのwrapper分のオーバーヘッドは生じますが、下層RTOSに依存しない点は、先進的で優れています。

なおUM1722 Rev3には、単にAPI列記とwrapper、RTOSサンプルプロジェクトの簡単な説明が記載されているだけです。

まとめ

STM32MCUでRTOS開発を行う時の3注意点（前編：STM32CubeMX、HAL）に続き、本稿後編で3つ目のCMSIS-RTOSを示しました。

STM32RTOS開発のSTM32CubeMXが扱うRTOSは、現在FreeRTOSだけです。FreeRTOSが別のRTOSへ変わっても、CubeMXは、開発アプリケーション流用性を高めるためにFreeRTOS APIの代わりにRTOS共通CMSIS-RTOS APIを出力します。

CMSIS-RTOS APIには、Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7コア間で開発アプリケーション移植性が高いCMSIS V1を使います。

CMSIS-RTOS API変換オーバーヘッドがありますが、流用性、移植性に優れたRTOSアプリケーション開発ができる点は、優れています。

あとがき

残念ながらCMSIS-RTOS情報は、シェア1位AWSのFreeRTOSに比べ少なく、この少ない情報を使ってSTM32RTOS開発を行うのは、大変です。
※2位がAzureのAzure RTOS、3位がGCP（Google Cloud Platform）のmbed OS。関連投稿はコチラ。

例えば、最初の図：CubeMXのTasks and QueuesのGUI設定パラメタが多いにもかかわらず、UM1722サンプルプロジェクト説明が少ない点などです。

RTOSは、複数タスク（CMSIS-RTOSではThread）間の優先順位差とRTOS自身の動作により、開発タスク処理状態が変わります。ベアメタル視点に加え、RTOS視点でのタスク開発と経験が求められます。QueueなどRTOS単独手段理解が目的のサンプルプロジェクトだけでは、RTOS開発経験は積めません。

弊社はこれらの対策として、効率的なRTOS基礎固め、STM32RTOSアプリケーションのプロトタイプ開発早期着手を目的としたSTM版RTOSアプリケーションテンプレート（仮名）を検討中です。その構想は、固まり次第、別稿にて示す予定です。

なお、NXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、コチラで販売中です。

半導体・デジタル産業とホノルル便パイロット

2021年7月9日2021年8月28日 WithHappy

経産省が2021年6月4日に発表した「半導体・デジタル産業戦略」について、専門家の評価は悲観的です。

我々IoT MCU開発者は、ホノルル便パイロットを見習い、対応策を持つべきだと思います。

経産省半導体・デジタル戦略の評価

今こそ日本の大手電機各社は半導体技術の重要性に気付くべき、EE Times Japan、2021年6月15日

日本の半導体戦略は“絵に描いた餅”、TechFactory、2021年6月16日

日本の半導体ブームは“偽物”、再生には学校教育の改革が必要だ、EE Times Japan、2021年6月22日

専門家が日本政府や経産省の方針を批判するのは、コロナ対策と同様、当然です。また下記、英）Financial Times評価を紹介した記事からも、専門家評価と同様、概ね懐疑的であることが判ります。

半導体製造業の日本の取組みに対する海外メディア評価、Gigazine、2021年7月6日

この戦略結果として生じる半導体・デジタル産業の市場変化の影響を直接受けるのは、我々IoT MCU開発者です。しかも、結果がでるまでの時間は、ますます短くなっています。この分野が、自動車や次世代通信などを含む「全ての産業の要」だからです。

経産省戦略資料は、コチラからダウンロードできます。概要・概略だけでも相当な量があり、対象がMCU技術者ならまだしも、マネジメントや一般技術者が、本当に要点を把握できるか、筆者でも疑問に感じます。

ホノルル便緊急事態対策

かつて護送船団方式ともいわれた日本産業の舵取りは、成功もありますが失敗も多いです。同調圧力に弱い日本人には、この方式が向いていたのかもしれません。

問題は、舵取りの結果生じる市場変化に、どう対応するかです。

対応策ヒントの1つになるのが下記記事です。

太平洋の真ん中でエンジン停止したらどうなるか、東洋経済、2021年6月27日

パイロットは、太平洋上での緊急事態対応のため、60分毎に東京/ミッドウェー/ホノルルの天候情報を集め、燃料残量や対地速度などの機体状況を確認し、180分以内に着陸できる空港を検討するのです。しかも、この緊急事態は、パイロットが入社し定年退職するまでに一度も経験することの無い0.024%の発生確率でもです。

この東京～ホノルル便エンジン停止などの緊急事態発生確率に比べると、半導体・デジタル産業の国による舵取り失敗確率は、高いと思います。

我々MCU開発者も、ホノルル便パイロット並みとはいかなくても、せめて開発が一段落付く毎に、最新IoT MCU状況を確認し対応を検討することは重要です。一段落が付いた時は、開発に使ったMCUの利点欠点を把握直後なので、他MCUとの比較も精度良くできるからです。

この検討結果をどのように反映するかは、開発者次第です。

お勧めは、もしもの時の「第2候補IoT MCU案：Plan Bを、開発者個人で持つこと」です。Plan Bは、たとえ同じARM Cortex-Ｍコア利用であっても、ベンダ毎に手間やAPIが異なるIoT MCU開発に、心理的余裕を与えます。Non ARMコア利用ならなおさらです。

個人でなら、同調圧力に関係なく、自分の開発経験や勘を使ってPlan Bを検討できます。

まとめ

2021年6月経産省が発表した半導体・デジタル産業戦略の専門家評価は、悲観的です。国の舵取りが失敗した例は、過去の電機や半導体企業の衰退が物語っています。巨額投資と市場シェアの両方が必要な半導体・デジタル分野は、既に弱体化した国内企業の巻返しにも期待はできません。

舵取り失敗確率は、現役ホノルル便パイロットが、太平洋上で緊急事態に出会う確率よりも高いでしょう。

最先端デバイスを利用するIoT MCU開発者の対応策の１つは、開発が一段落付く毎に、最新半導体・デジタル市場を確認し、もしもの時の第2 IoT MCU利用案：Plan Bを開発者個人で持つことです。

個人で安価にPlan Bを持つため、評価ボード動作確認済み各種マイコンテンプレートはお役に立てると思います。関連投稿：半導体不足とMCU開発案に、Plan B構成案もあります。

STM32RTOS開発3注意点（前編）

2021年7月2日2021年12月12日 WithHappy

STマイクロエレクトロニクス）STM32MCUを使ってRTOS開発時のSTM32CubeMX、HAL、CMSIS RTOSの3注意点について示します。前編が、STM32CubeMXとHALについてです。CMSIS RTOSは、別途後編で示します。

STM32CubeMXとHAL の注意点を解説した後、サンプルプロジェクトで実例を示すという順番で説明します。

ソースコード生成ツール：STM32CubeMX

STマイクロのソースコード生成ツール：STM32CubeMX（以下CubeMX）は、MCU内蔵周辺回路の初期設定やAPIを、GUIベースで自動生成する非常に便利なツールです。

※MCUベンダのAPI生成ツールを比較した関連投稿は、コチラをご覧ください。

CubeMX生成APIは、ハードウェアを抽象化し、STM32MCU間で最大限の高いソフトウェア移植性を狙ったHAL （Hardware Abstraction Layer）と、よりハードウェアに近くHALよりも高速・軽量なエキスパート向けLL（Low-layer）の2種類から選択可能です。

HALとLL比較（出典：STM32 Embedded Software Overvire） — HALとLL比較（※説明のため着色しています。出典：STM32 Embedded Software Overvire）

一般的に、HAL APIが好まれます。というのは、このLL APIを利用し開発した2019年6月発売のSTM32G0xテンプレートV1の売上げはゼロでした。対策に、LL APIからHAL APIに変更し再開発した2020年6月発売のSTM32G0xテンプレートV2は、人気があるからです。

これらCubeMXの各種GUI設定や選択APIは、CubeMXファイル（.ico）に構成ファイルとして纏められます。

STM32MCU新規プロジェクト開発時に、この既成CubeMXファイル（.ico）を利用すると、ゼロから着手するのに比べ、効率的かつ間違いなく周辺回路や初期設定ができるため、利用価値の高いファイルです。

特に、ベアメタル比、さらに多くのCubeMX設定が必要となるRTOS開発では、既成CubeMXファイルを再利用するメリットがより高まります。同時に、生成コードの意味も理解しておく必要があります。

HALタイムベース

HALには、他ベンダにない便利なAPI：HAL_Delayがあります。

例えば、10msの待ち処理を行う場合、他ベンダなら、MCUコア速度に応じて適当にループ回数を調整したループ処理で10ms相当の遅延を自作します。しかし、HAL APIならば、HAL_Delay(10)の記述だけで、MCUコア速度に依存しない正確な10ms遅延が実現できます。

これは、HAL自身が、MCU内蔵タイマ：SysTickの利用を前提に設計されているからです。遅延処理を例に説明しましたが、STM32のHAL APIsは、SysTickと強く結びついています。

もちろん、HAL APIをベアメタル開発で利用する場合は、この結びつきに何ら問題はありません。

RTOSタイムベース

FreeRTOSも、タスク（スレッド）状態遷移タイムベースに、SysTickを使います。

これは、FreeRTOSだけでなく他のRTOSでも同じです。SysTickは、その名称が示すようにMCUシステムレベルのタイムベース専用タイマです。

従って、STM32MCUでRTOS開発を行い、かつHAL APIを利用する場合には、RTOS側でSysTickを使うのが、名称に基づいた本来の使い方です。

HALタイムベース変更

そこで、STM32RTOS開発でHAL利用の場合は、HALのタイムベースを、デフォルト使用のSysTickから別のタイマへ変更する必要が生じます。この変更に伴う手動設定も当然必要となります。

＊　　＊　　＊

ここまでが、STM32RTOS開発におけるSTM32CubeMXとHALに関する注意点です。
これらの注意点が解っていると、次章で示すRTOSサンプルプロジェクトのCubeMXファイルの意味と生成コードが理解できます。

STM32RTOS開発実例

STM32RTOS開発実例に、評価ボード：NUCLEO-G474RE（Cortex-M4/170MHz、Flash/512KB、RAM/96KB）でRTOS開発する場合を示します。

NUCLEO-G071RB（Cortex-M0+/64MHz、Flash/128KB、RAM/32KB）でRTOS開発する時でも同様です。しかも、RTOSサンプルプロジェクトは、STM32G071RBの方が（発売が古いためか？）多いので、NUCLEO-G071RBをお持ちの方は、是非ご自身で試してみてください。

FreeRTOS Example Selector

STM32CubeIDEのFile>STM32 Projectで、新規プロジェクト作成パネルを表示します（最新情報更新のため、表示に少し時間がかかる場合があります）。Example Selectorタブを選択、Middleware>FreeRTOSにチェックを入れ、NUCLEO-G474REのFreeRTOS_Queuesを選択したのが下図です。

右上欄、Noteの内容が、前半までに示した注意点のことです。参照先UM1722 Rev3は、CMSIS RTOSとFreeRTOSの関係があるのみです。このCMSIS RTOSについては、別途後編で説明します。

Nextをクリックし、FreeRTOS_Queuesサンプルプロジェクトを新規作成します。

さて、FreeRTOS Examples Listが318アイテム（STM32CubeIDE v1.6.1時）もあるので、Exportをクリックし、出力されたExcelファイルをBoardでフィルタリング、NUCLEO-G071RBとNUCLEO-G474REを抽出したのが下図です。

緑に色付けしたNUCLEO-G071RBの方が、FreeRTOSサンプルプロジェクト数が多いことが判ります。開発予定のSTM版FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、Cortex-M4コアが対象ですので、本稿ではNUCLEO-G474REのFreeRTOS_Queuesを実例として使いました。

FreeRTOS_QueuesのSTM32CubeMXファイル

FreeRTOS_QueuesサンプルプロジェクトのCubeMX構成ファイル：FreeRTOS_Queues.icoが下図です。グレー文字は変更不可、黒文字は変更可能を示します。

TIM6がグレーなのは、HALタイムベース変更先がTIM6だからです。Kernel settings CPU CLOCK HZのSystemCoreClockがグレーなのは、RTOSタイムベースがSysTickだからです。つまり、本来の名称に基づいたSysTickがRTOS側で使われ、HALの新タイムベースにTIM6が割当済みであることが解ります。

FreeRTOS APIは、変更不可のグレーCMSIS V1です。ここは、後編で説明します。

デフォルトDisabledのUSE IDEL HOOKを、Enabledに変更し、ソースコード自動生成のGenerate Code（Alt+K）を実行してください。

HALタイムベースTIM6変更結果

app_freertos.cのL62に、Hook関数：vApplicationIdleHoolのひな型が自動生成済みです。ここへWFIを追記すれば、FreeRTOSアイドル時に低電力動作ができます。コチラのNXP版関連投稿Step5: FreeRTOS低電力動作追記と同じです。

main.cのL289は、TIM6満了時動作です。HAL_IncTick()が自動生成済みです。ベアメタル開発のSysTickからTIM6へHALタイムベースが変更されたことが解ります。

そのTIM6は、stm32g4xx_hal_timebase_tim.cで、1MHz＝1ms満了に初期設定済みです。

つまり、STM32RTOS開発でHAL利用時に必要となる変更が、「全てCubeMXで自動生成済み」なのが解ります。

※上図は、USE_TICK_HOOKもEnabledへ変更した例です。Disabledへ戻すなどして、CubeMX自動生成ファイルが変化することを確かめてください。

この実例のように、CubeMX付属RTOSサンプルプロジェクトのCubeMXファイル（*.ico）を再利用すれば、周辺回路や初期設定ミスを防ぎ、RTOS新規アプリケーション開発が容易になることが解ります。

まとめ

STM32MCUでRTOS開発を行う時の3注意点、STM32CubeMX、HAL、CMSIS RTOSのうち、前編としてSTM32CubeMX、HALの2注意点とサンプルプロジェクトを使ってその実例を示しました。

RTOS開発では、既成STM32CubeMXファイル再利用価値が高まること、HALタイムベース変更の必要性がご理解頂けたと思います。3つ目のCMSIS RTOS関連は後編で示します。

あとがき

ベアメタル開発経験者であっても、STM32RTOS開発時、CubeMXのNoteを読むだけで、ベアメタル開発では何の問題も無かったHAL タイムベース変更理由が解り、その結果生じるCubeMXファイルや自動生成ソースコードの中身が理解できる方は、少ないと思います。本稿は、この変更理由と生成コードに説明を加えました。

STM32CubeMXは、STM32MCU開発に必須で強力なAPI生成ツールです。が、時々、説明不足を感じます。問題は、どのレベル読者を相手にするかです。エキスパートなら説明不要ですが、初心者ならゼロから説明しても解らないかもしれません。文章による組込み技術説明が、難しいのが根本原因でしょう😂。

そんな組込み開発ですが、文章だけでなく、「実際に評価ボードと手足を使って慣れてくると、案外すんなり簡単に理解、習得できる方が多いのも組込み開発」です。

販売中のNXP版FreeRTOSアプリケーションテンプレートにも、本稿同様、詳しいFreeRTOS解説を付けています（一部ダウンロード可能）。FreeRTOS開発を手軽に試せ、習得を支援するツールです。

FreeRTOSアプリケーションテンプレート発売

2021年6月25日2021年12月12日 WithHappy

ARM Cortex-M4コア動作のFreeRTOSアプリケーションテンプレート第一弾、NXP）LPCXpresso54114対応版（税込2000円）を本日より発売します。概要、要点、FreeRTOSアプリケーションテンプレートとは、に関する説明資料は、コチラから無料ダウンロードできますのでご覧ください。

開発背景

IoT MCUのクラウド接続には、AWSならAmazon FreeRTOS、Microsoft AzureならAzure RTOSなどのRTOSが必要です。クラウド側からは、1つのRTOSライブラリを使って様々なMCUハードウェアを接続するための手段、これがRTOSです。

一方、IoT MCU側からは、接続先サービスに応じたRTOSライブラリ利用に加え、従来のベアメタル開発からRTOS上でのアプリケーション開発へ発展する必要もあります。IoT化に伴うこのような変化に対し、開発者個人が手間なく対応するためのツール、これが弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

目的

FreeRTOSアプリケーションテンプレートの目的は、「RTOS基礎固め」と「FreeRTOSプロトタイプ開発のスタートプロジェクトとなること」の2点です。

RTOS開発は、ベアメタル開発とは異なります。

RTOS Kernelが、開発した処理（タスクやThread）と他タスクの優先順位により、処理実行/待機を決めます。開発タスク単体の流用性は高まりますが、タスク間同期や通信に、セマフォやQueueなどのRTOS独特の手段が必要です。

IoTにより全てのモノ（MCU）がクラウドへ接続する時代の基盤は、RTOSです。

ベアメタル開発経験者が、このRTOSの早期基礎固め、Kernelと自身で開発したタスクの並列処理を理解するには、個々にRTOS手段を説明するサンプルソフトよりも、具体的なRTOSアプリケーションの方が実践的で役立ちます。

RTOSアプリケーションがあれば、優先順位を変えた時のタスク動作変化や、その他経験に基づいたRTOS実務開発で知りたい事柄を手間なく試し、新たな知見・見識を得られるからです。これらは、サンプルソフトや、説明文から得ることは困難で、実際のRTOSアプリケーションで開発者自身が試行するのがベストです。

そこで、各FreeRTOS手段を説明した弊社MCU RTOS習得ページを理解した次の段階として、最初の図に示したプロトタイプ開発着手に必須となるADC/LCD/SW/LED/VCOM処理を、NXP）LPCXpresso54114（Cortex-M4/150MHz、Flash/256KB、RAM/192KB）とBaseboard、Arduinoプロトタイプシールドに実装し、動作確認済みRTOSプロジェクトが、FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

FreeRTOS Application Template (NXP Version)

※上記プロジェクトは、クラウド接続は行っておりません。RTOS基礎固めとFreeRTOSプロトタイプ開発に適すことが目的ですので、クラウド接続RTOSライブラリは未実装です。

FreeRTOSを選んだのは、現在MCU RTOSシェア1位だからです（関連投稿はコチラ）。RTOS手段は、各RTOS共通技術であるSemaphoreとQueueの2つを用いております。LPCXpresso54114のFlashやRAM使用量にはまだ十分余裕がありますので、より高度なミューテックスやイベントグループなどの手段を適用するのも容易です。

特徴

本テンプレートには、上記FreeRTOSプロジェクトと同じ動作確認済みのベアメタル開発プロジェクトも添付しております。これは、ベアメタル開発に慣れた方が、FreeRTOSとベアメタルの差分をより明確に理解し、比較や評価をするためです（比較・評価は、ご購入者ご自身で行って頂きます）。

本テンプレート付属説明資料は、主にベアメタル開発者視点から見たFreeRTOSプロジェクトを解説しており、ベアメタルプロジェクトに関する説明は、ソースコードを読めばご理解頂けるとして省略しております。

従って、FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタル開発経験者を対象といたします。ベアメタル初心者の方は、先ずは各MCUベンダCortex-M0+/M3コア対応の従来マイコンテンプレートをご購入ください。従来テンプレート付属説明資料には、ベアメタル動作の詳しい説明が付いています。

※本テンプレートのベアメタルプロジェクトは、従来テンプレートCortex-M0+/M3コアをCortex-M4コア対応へ発展させたものです。ベアメタルプロトタイプ開発着手時に適すプロジェクトです。

FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタル開発経験者が、手間なく直にRTOSとベアメタルの差を理解・実感し、かつ、IoT基盤RTOSの効率的な基礎固めができるツールです。

なお、既に従来マイコンテンプレートご購入者様は、50％OFF特典があり、税込1000円にて本FreeRTOSアプリケーションテンプレートをご購入頂けます。弊社での確認ミスを防ぐため、ご購入時に従来テンプレート購入者様である旨、お知らせください。

勿論、従来テンプレートとFreeRTOSアプリケーションテンプレートの同時購入でも、この特典は適用されます。

まとめと今後

ベアメタル開発経験者が、IoT MCUクラウド接続に必要となるRTOSの効率的な基礎固め、FreeRTOSプロトタイプ開発着手プロジェクトとして使えることを目的に、NXP）LPCXpresso54114、Baseboard、Arduinoプロトタイプシールドを使ったFreeRTOSアプリケーションテンプレートを発売しました。

本テンプレートは、Amazon FreeRTOSのHardware Independent FreeRTOS Exampleを原本としています。第1弾はNXP）LPCXpresso54114へ適用しましたが、今後、STマイクロエレクトロニクス）STM32G4やCypress)PSoC 6など他社Cortex-M4コアの対応版も開発予定です。