IoTを狙うデュアルコアMCU

CypressのPSoC 6を中心にNXPとSTM、3社のARMディアルコアMCUを調査しました。Cortex-M4とCortex-M0+を使う個人でも低価格で入手できるディアルコアMCUです。ディアルコアMCUの狙い、アプリケーション、シングルコアMCUソフトウェア開発との違いなどを説明します。

Cortex-A7とCortex-M4を使ったもう1つの超高性能ディアルコアMCUも少しだけ登場します。

ディアルコアMCUの狙い、アプリケーション

ディアルコアMCUの狙い
ディアルコアMCUの狙い(出典:Cypress Cortex-M4 PSoC 6サイト)

CypressのCortex-M4コアPSoC 6サイトの上図がディアルコアMCUの狙いを示しています。

つまり、「IoT市場獲得には、右側アプリケーションプロセッサからと左側マイクロコントローラ:MCUからの2つのアプローチがあり、MCUアプローチのPSoC 6は、処理能力とセキュリティ強化を低コスト、低電力で実現した」ということです。

PSoC 6は、実現手段としてメインコアにCortex-M4(150MHz)、補助コアにCortex-M0+(100MHz)のディアルコアを採用しています。このCortex-M4+Cortex-M0+の2MCU構成は、NXP:LPC54102STM:STM32WB55RGでも見られます。CypressとSTMは、Cortex-M0+側にBluetooth Low Energy無線通信機能を実装済みです。

PSoC 6は、実装セキュリティに応じてPSoC 62/63シリーズと3種類のPSoC 64シリーズに別れます。PSoC 62/63は、PSoC 6のセキュリティ機能とユーザ独自セキュリティファームウェア(ソフトウェア)を使うデバイス(次章参照)、最上位プレミアムセキュリティのPSoC 64は、標準的なセキュリティ機能を全て含むデバイスです。

一方、アプリケーションプロセッサアプローチは、NXP:iMX 7アプリケーションプロセサのようにスマホやRaspberry Piでも用いられたCortex-A7(800MHz)がメインコアで、Cortex-M4(200MHz)が補助コアです。このアプローチは、ソフトウェア開発規模が大きく評価ボードも高価で個人開発向きとは言いにくいと思います。Cortex-A7自身がマルチコアでOS利用が前提なので更に複雑になります。

まとめると、低コスト低電力で処理能力とセキュリティ強化目的のCortex-M4+Cortex-M0+ディアルコアMCUの狙いは、IoTアプリケーションです。PSoC 63搭載の評価ボード:CY8CPROTO-063-BLEの価格は¥2,289(Digi-Key調べ)で、個人でも手が出せる価格帯です。

ディアルコアMCUのソフトウェア開発

PSoC 63 Line with BLE (Applications and Freatures)
PSoC 63 Line with BLE (Applications and Freatures)

Cypress Roadmap: MCU Portfolio、P25から抜き出したPSoC 63のアプリケーションとFeaturesです。具体的なIoTアプリケーションや、実装セキュリティ機能が解ります。
※ご参考までにこのMCU Portfolioには、CapSenseテンプレート開発で用いたPSoC 4000S/4100S仕様も解り易く掲載されています。

同じP25記載のPSoC 63ブロック図です。Cortex-M4とCortex-M0+がメモリ結合されています。

PSoC 63 Line with BLE (Hardware)
PSoC 63 Line with BLE (Hardware)

PSoC 6のソフトウェアは、Cortex-M4とCortex-M0+それぞれのソフトウェアが、2つ同時に別々に動作します。簡単に言うと、各シングルコアMCUソフトウェア同士が、同じデバイス内で動きます。メモリ結合なので、同一メモリアドレス同時アクセスの競合回避手段なども多分あるハズです(←調査不足😌)。

つまり、ディアルコアMCUソフトウェア開発と言っても、従来のCortex-M4やCortex-M0+シングルコアMCUソフトウェア開発の経験やスキルがそのまま活かせるのです。

一方のMCUから見ると、片方のMCUはインテリジェントな周辺回路と同じです。

例えば、Windowsソフトウェア開発なら、1つの機能を複数スレッドに分割し、処理効率を上げるなどのマルチコア対応の工夫が必要です。しかし、Cortex-M4+Cortex-M0+デュアルコアMCUの場合は、シングルコアのソフトウェア開発手法がそのまま使えます。

差分は、「2つのMCUに、どの機能を割振るか」です。

FPU内蔵のCortex-M4は、セキュリティなどの計算処理、高速GPIOアクセスのCortex-M0+は、IO処理やBLEモジュール管理、というのが定番(CypressやSTMのディアルコアMCUにみられる)割振りのようです。

まとめると、ディアルコアMCUソフトウェア開発は、シングルコアMCU開発経験がそのまま活かせます。しかも、別々動作の2コアを持つので、RTOSを使わずに処理分離と本当の並列動作ができます。

また、個人入手可能な評価ボード価格も魅力です。

評価ボード搭載のPSoC 63:CY8C6347BZI-BLD43(116-BGA)は、BGAパッケージなので基板実装は簡単ではありません。しかし、このPSoC 63とBLEアンテナをモジュール化したCYBLE-416045-02(14.0 mm x 18.5 mm x 2.0 mm、43-pad SMT with 36 GPIOs、下図)が評価ボードに実装済みで単体購入も可能です。

また、個人利用の場合には、評価ボードを丸ごと基板実装するのも効果的です。

EZ-BLE Creator Modules CYBLE-416045-02
CY8C6347BZI-BLD43搭載のEZ-BLE Creator Modules CYBLE-416045-02

ディアルコアMCUへの対処案

ディアルコアMCUの狙いは、巨大なIoT市場です。

各社がディアルコアMCUを発売する理由は、高度化するセキュリティ機能や、どの規格かが不確定な無線通信機能に対して、現状のシングルARMコアMCUでは、処理能力不足が懸念されるためです。
※近距離無線通信の有力候補が、BLEであることは確かです。

ディアルコアMCUならば、たとえ規格が変わっても、その影響を片方のMCU内に止めることもできます。つまり、ソフトウェア資産が無駄にならない訳です。

IoT市場へは、Cortex-M4+Cortex-M0+と、Cortex-A7+Cortex-M4のアプローチがあります。Cortex-M4を用いる点ではどちらも一致しています。FPU内蔵Cortex-M4ソフトウェア開発や経験が、IoT MCUプログラマの必須要件になるかもしれません。

シングルコアMCU開発経験が活かせ、しかもRTOSを使わずに高速並列処理を実現できるディアルコアMCUのソフトウェア/ハードウエア開発を、評価ボードへの僅かな投資で、IoTが爆発的に普及する前から準備・習得するのは、技術者リスク回避の点からも必要だと思います。

PSoC 4100S CapSenseの使い方(その4)

Cypress PSoC 4100S/4000S内蔵タッチセンサ:第4世代CapSenseの使い方、4回目は、CapSenseとペアで用いるEZ-I2Cコンポーネントを説明します。

PSoC 4100S/4000S内蔵第4世代CapSenseの使い方第4回内容
PSoC 4100S/4000S内蔵第4世代CapSenseの使い方第4回内容

EZ-I2CはCapSenseリアルタイムモニタ出力

EZ-I2Cコンポーネントは、CapSenseの入力状態をパソコン上でリアルタイムモニタする時に使います。

ユーザが開発したハードウェア:タッチパッドやスライド・バーが所望動作をしているかを確認し、必要に応じてCapSenseコンポーネントのBasicタブ以外の詳細プロパティを設定する時に役立ちます。

※CapSenseコンポーネントのプロパティ設定は、その3前半参照。

本開発の評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit でこのリアルタイムモニタを試すときは、TopDesign.cysch上のCapSenseコンポーネントを右クリックし、Launch Tunerで起動されるSense Tuner画面で動作確認ができます。

Launch Tuner起動時Sense Tuner画面
Launch Tuner起動時Sense Tuner画面。CapSense指位置リアルタイムモニタが可能。

EZ-I2Cコンポーネント

デバイス間シリアル通信:Serial Communication Block(SCB)コンポーネントは、I2C(EZ-I2C含む)/SPI/UARTの3モードで動作します。EZ-I2Cコンポーネントは、このI2Cモード通信の1種で、PSoCデバイス用に簡素化したI2Cです。

PSoC Creatorのコンポーネントカタログの⊞Communicationを開くと、既にSCBの3モードで主要プロパティ設定済みのコンポーネントが見られます(補足:SCBコンポーネント3モード章の図参照)。この中からEZ-I2C Slave(SCB mode)をクリック&ドロップでTopDesign.cyschへ配置すれば、詳細なデータシートが見られます。

EZ-I2Cコンポーネントで追加するプロパティ設定は、CapSenseコンポーネントの時(その3前半参照)と同様で、Basicタブ設定のみで十分です。

CapSense → EZ-I2Cは、RAM利用

CapSenseコンポーネントとEZ-I2Cコンポーネント間は、RAMでデータを渡します。TopDesign.cyschの両コンポーネント間を接続する配線などが無いのは、このRAM経由のためです。

EZI2CのAPIを使って両コンポーネントのRAMを接続します。CapSenseコンポーネントデータシートのP8に記載例があります。

CapSence出力のEZ_I2CへRAMデータ送信記述例
CapSence出力のEZ_I2CへRAMデータ送信記述例

※上記ソースコードは、CapSenseがブロッキングスキャンで記述されていることに注意してください(ブロッキングスキャンについては、その3後半参照)。

CapSenseの使い方(その4:EZ-I2Cコンポーネント)まとめ

PSoC Creatorの第4世代CapSenseコンポーネントとペアで用いられるEZ-I2Cコンポーネントを説明しました。

  1. EZ-I2Cコンポーネントは、CapSenseコンポーネント出力のリアルタイムモニタ時に利用。
  2. リアルタイムモニタは、ユーザ開発タッチパッドやスライド・バーのCapSenseプロパティ設定に役立つ。
  3. EZ-I2Cコンポーネントは、SCBコンポーネント利用法:I2C通信の1種。
  4. CapSenseコンポーネントとEZ-I2Cコンポーネント間のデータ送受はRAM利用。

補足:SCBコンポーネントの3モード

SCBの3モードと残りリソース数
SCBの3モードと残りリソース数

評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping KitのCE210709_CapSense_Linear_Slider_and_Buttonsプロジェクトは、本稿で示したようにSCBをEZI2CとしてCapSenseリアルタイムモニタのTuner出力用に1個使用中です。

SCBリソースは、PSoC 4000Sは2個、PSoC 4100Sは3個あります(Resource MeterはPSoC 4000Sの例)。そこで残りのSCBを、PSoC 4000S/4100S専用タッチUIテンプレートモジュールと装置や他MCUとの通信用に使う予定です。

通信用SCBの3モード:I2C/SPI/UARTのどれを使うかは、タッチUIテンプレート発売までに決めるつもりです。但し、パソコンとの通信テスト環境が簡単に準備できるUART、またはI2Cが有力です。この詳細については、次回評価ボードの解説時に説明します。

PSoC 4100S CapSenseの使い方(その1)

CypressのPSoC 4 MCU内蔵のタッチセンサ:最新の第4世代CapSenseの使い方を何回かに分けて投稿します。目標は、従来のメカニカル入力インタフェース:スイッチやボタンに変わる、新しいタッチユーザインタフェース(タッチUI)入力処理専用のテンプレート開発です。

操作性や装置全体の印象に大きな影響を与えるユーザフレンドリーなタッチUIを、低開発リスク、低価格で実現するこのテンプレートは、競合他社との差別化に役立つと思います。

タッチユーザインタフェーステンプレート
タッチユーザインタフェーステンプレート。ボタンからタッチ・ベースへ変化したユーザ入力処理用PSoC MCUと、それ以外の2MCU構成。プロトタイプ開発速度向上とユーザフレンドリーが狙い。

第4世代CapSense特徴(第3世代比)

・タッチ検出性能向上 → 検出感度、反応特性改善
・木材、厚いアクリル材がタッチ表面材でも反応 → デザイン幅広がる
・液量センシング可能 → シャンプー、薬品ボトル液面検出可能
・自己容量方式と相互容量方式の両方対応 → 近接センサが多くても対応可能
・低消費電流化 → センサ毎に6uAから3uAへ半減

出典:静電容量タッチセンサの性能を大幅改善、対応するマイコンを2製品投入

CapSenseデータシート Version 6.0最初のページに、CapSense v6.Xコンポーネント(=コントローラ)は、v2.Xコンポーネント以前との後方互換は無いと明記されています。また、古いコンポーネントや第3世代CapSense利用経験が有る方のために第4世代マイグレーションガイドもあります。

本稿は、最新の第4世代CapSenseを使い、初めてタッチUI開発する方を対象とします。この第4世代CapSense内蔵MCUは、PSoC 4000S、PSoC 4100S(トラ技付録基板実装)、PSoC 4100S PlusとPSoC Analog Coprocessorです(2019年6月現在)。

低価格PSoC 4000SとタッチUI評価ボード

トラ技2019年5月号で紹介された第4世代CapSense内蔵MCUは、PSoC 4100Sです。同じCortex-M0+コアですが、機能を絞ったのがPSoC 4000Sです。両者の主な仕様差を表1に示します。

関連投稿:GWお勧め本:トラ技5月号PSoC 4100S基板付きで販売中

トラ技付録基板PSoC4100S仕様とPSoC 4000Sの主な特徴差
項目 トラ技付録基板PSoC4100S仕様

CY8C4146LQI-S433

PSoC 4000S仕様

CY8C4045AZI-S413

JPY1個価格(Mouser調べ、2019/06 ¥570 ¥453
CPUコア Cortex-M0+、48MHz
メモリ FLASH 64KB 32KB
SRAM 8KB 4KB
シリアル通信ブロック 3個(I2S/SPI/UART/LINに対応) 2個(I2S/SPI/UARTに対応)
ADC 逐次比較型 12ビット分解能、1Msps なし
シングル・スロープ型 10ビット分解能、11.6ksps
GPIO 34 36
DAC 電流出力型 7ビット分解能×2
その他アナログ・ブロック OPアンプ 2個、6MHzGB積、6V/usスルーレート なし
コンパレータ 3個、内2個はスリープ・モード時も動作 2個スリープ・モード時も動作
静電容量式第4世代タッチセンサ(CapSense 自動調節機能付き(特許取得済み)
論理演算ブロック スマートI/O 3入力1出力のLUT×8

PSoC 4000Sも第4世代CapSense内蔵MCUです。PSoC 4100SのOPアンプなどのアナログ機能を省いた結果低価格で、仕様からCapSense利用のタッチユーザインタフェース(タッチUI)入力処理専用のMCU向きであることが解ります。

例えば、メカニカルボタンを1個50円とすると、ボタン8個で400円。これをタッチUIで置換えるので同程度の低価格MCUは好適です。PSoC 4000SはPSoC 4100Sに比べ少機能なので、ソフトウェア開発も容易です。初心者向きの開発案件とも言えます。さらに、PSoC 4000S実装済みで、タッチ・パッドとスライド・バーが付属した低価格なタッチUI評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitも用意されています。

PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit
タッチ・センサー基板付きで$15と安価なPSoC 4000S CapSense Prototyping Kit

CapSenseの使い方(その1:低開発リスク、低価格のタッチUI実現手段)まとめ

低開発リスク、低価格で第4世代CapSenseを使ったタッチユーザインタフェース(タッチUI)を実現する手段として、PSoC 4000S実装評価ボード:CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kitを使い、タッチUI入力処理専用のテンプレート開発を行います。このテンプレートは、トラ技付録PSoC 4100S基板でも同じように動作します。

最初の図のように、様々な装置や別MCUの入力手段として単独利用もできます。また、個人レベルでチョット変わった下図のようなタッチUIモジュールを手軽に開発する時にも役立つと思います。

タッチUIモジュールイメージ(出典:トラ技P53 AIジェスチャ・スティック図を加工)
タッチUIモジュールイメージ(出典:トラ技P53 AIジェスチャ・スティック図を加工)

次回から、タッチUIのメリット、ハードウエアのタッチUI基板ポイント、CapSense制御ソフトウェアの構造、開発ツールPSoC Creatorの設定方法など、CapSenseの具体的な使い方を、主にソフトウェア開発者向けに判り易く説明していきます。

InfineonがCypress買収で合意

2019年6月3日)、独)Infineonは、米)Cypress買収で合意と発表しました(出典:EE Times記事、InfineonがCypress買収へ、約1.1兆円で

Infineon+Cypressが成立すると、車載半導体ではオランダ)NXPを超え世界シェア1位となります。但し、QualcommのNXP買収断念のように、米国当局の承認が成立のガキとなります(出典:EE Times記事、”InfineonのCypress買収は“弱点の克服”を狙う一手“)。

Infineon+Cypressは補完関係

本ブログ対象のCypress MCUは、IoTエッジMCUで優れた製品を持ち、現在パワー半導体シェア1位、車載シェア2位のInfineon製品との重複が極めて少ない補完関係です。買収が成立すれば、車載シェアは、現在首位NXPを抜きトップになるそうです。

記事中に、本ブログ掲載MCU各社の製品特徴を表す図があります。

MCU各社の製品特徴(出典:EE Times記事)
MCU各社の製品特徴(出典:EE Times記事)

MCUコアが同じでも、MCU単体でシステム動作はできません。自動車会社は、周辺部品も含めたトータルでの接続性や、システム構築能力をMCU各社に求めます。Infineon+Cypressはこの点で他社比、優れているというのがこの表の意味です。

買収成立後の車載と32ビットMCUの半導体シェア変動を示すのが下図です。

買収成立時の車載半導体と32ビットMCUシェア(出典:EE Times記事)
買収成立時の車載半導体と32ビットMCUシェア(出典:EE Times記事)

車載は1位へ、32ビットMCUは4位へと、それぞれ上位ビッグ5に入ります。シェア確保は、半導体会社が生き残るには必須で、Infineon、Cypress双方に買収メリットがあります。

買収完了は、2019年末から2020年初めを予定しています。但し、米国当局が買収を認めるかがカギだと記事は解説しています。

Cypress特許取得PSoC 4100S CapSenseで他社差別化

ADAS(Advanced driver-assistance systems)など高度化する自動車制御に限らず、IoT端末でもMCU単体でのシステム構築は困難です。しかし、一方で、他社とのアナログ差別化技術を用いてMCUシェア拡大と確保を狙う動きも出てきました。

STマイクロエレクトロニクスは、汎用MCUでありながら、より多くのセンサとユーザ機能を実現する先進的アナログ・ペリフェラル搭載のSTM32G4シリーズを発表しました。また、ルネサスエレクトロニクスも、高精度アナログフロントエンド搭載32ビットマイコンRX23E-Aを発表しました。

本件のCypressも、他社アナログ差別化技術という点では長けていると思います。

例えば、前投稿のトラ技記載PSoC 4100Sは、低価格であっても、他社MCUに無いOPアンプや論理演算ブロックが実装済みです。特に、特許取得済みで多くのスマホで採用実績のある検出精度の高い静電容量式タッチ・センス・コントローラ内蔵は特筆すべき点です。

トラ技付属基板PSoC 4100S仕様(出典:トラ技2019年5月号P116、アナログ差別化技術が下線付き)
項目 内容
CPUコア Cortex-M0+、48MHz
メモリ フラッシュ:ROM 64KB
SRAM 8KB
シリアル通信ブロック 3個(I2S/SPI/UART/LINに対応)
ADC 逐次比較型 12ビット分解能、1Msps
シングル・スロープ型 10ビット分解能、11.6ksps
DAC 電流出力型 7ビット分解能×2
その他アナログ・ブロック OPアンプ 2個、6MHzGB積、6V/usスルーレート
コンパレータ 3個、内2個はスリープ・モード時も動作
静電容量式タッチ・センサ(CapSense 自動調節機能付き(特許取得済み)
論理演算ブロック スマートI/O 3入力1出力のLUT×8

タッチユーザインタフェーステンプレート構想

スマホの普及で、あらゆるユーザインタフェース(UI)がボタンから、タッチ・ベースへと変わりました。IoT端末でも同様です。

タッチユーザインタフェーステンプレート
タッチユーザインタフェーステンプレート。ボタンからタッチ・ベースへ変化したユーザ入力処理用PSoC MCUと、それ以外の2MCU構成。プロトタイプ開発速度向上とユーザフレンドリー入力処理が狙い。

このタッチUIへPSoC 4シリーズ特許技術CapSenceを応用し入力処理をテンプレート化、その他の新規開発や複雑な制御は別MCUへ分離した2MCU構成でプロトタイプ開発すると、開発速度が上がり、かつタッチUIも備えたユーザフレンドリーなIoT端末が期待できると思います(勿論、このタッチUIテンプレートにはトラ技付属基板も利用するつもりです)。