STM32G0x専用Edge MCUテンプレート開発

本稿は、STマイクロエレクトロニクス(以下STM)のSTM32G0xデバイス(Cortex-M0+/60MHz)が、汎用MCUのSTM32Fx(F0/Cortex-M0/48MHz、F1/Cortex-M3/72MHz)と異なり、IoT向きの新世代Edge MCUであること、そのテンプレート開発も汎用STM32Fxテンプレートと異なること、これら理由を説明します。

まとめ

はじめに内容をまとめた表1と表2、図1を示し、次章からその詳細理由を説明します。

要するに、STM32G0xデバイスのIoT Edge MCU向きの広いハードウェア性能を活かすには、LL(Low Layer)APIを利用したSTM32G0x専用Edge MCUテンプレート開発が得策だということです。

表1 STM32G0xデバイスとSTM32F0/F1デバイスのハードウェア差
デバイス名 製造プロセス コア 最大動作周波数 Edge MCU向き周辺回路
STM32G0x
デバイス
70nm Cortex-M0+ 60MHz 2.5Msps 12ビットADC、USB Type-C、暗号化処理
STM32F0/F1
デバイス
120nm Cortex-M0/M3 48/72MHz 特になし(汎用MCU)
表2 STM32G0x Edge MCUテンプレートとSTM32Fxテンプレートの違い
テンプレート名 使用API 流用性 動作確認評価ボード IoTサービス 重点ポイント
STM32G0x Edge MCU
テンプレート
LL(+HAL) 低い STM32G071RB 今後決める(TBD) STM32G0x性能発揮
STM32Fx
テンプレート
HAL 高い STM32F072RB
STM32F103RB
特になし(汎用) デバイス間移植・流用性
テンプレート開発の方向性
図1 テンプレート開発方向性。同じメインストリームMCUでもSTM32G0xデバイスは専用性、STM32Fxデバイスは汎用性重視。

STM32G0xデバイス(Cortex-M0+/60MHz)の特徴

STMの場合、新世代Edge MCUと従来MCUの最も異なる点は、製造プロセスです。STM32G0xは70nm、STM32Fxは120nmの製造プロセスです。

製造プロセスによる性能差は、Intelプロセサでお馴染みだと思います。ごく簡単に言うと、製造プロセスを小さくすると、全く同じMCUでも、動作周波数が上がり、消費電力は下がる、販売コストも下がるなど、良いこと尽くめの効果が期待できます。

さらにSTM32G0xは、Cortex-M0の電力消費を改良しCortex-M3の良さを取り入れたCortex-M0+コアを採用しています。つまり、コアと製造プロセスの両方でCortex-M0のSTM32F0デバイスを上回り、動作周波数をCortex-M3のSTM32F1デバイス72MHzに近い60MHzとしたことで、STM32F1と同程度の高性能なのに超低電力動作します。まさに新世代のIoT MCUです。

また、2.5Mspsの12ビットADC、USB Type-C、暗号化処理などEdge MCUに相応しい周辺回路を実装しています(3タイプあるデバイスで実装周辺回路を変え、低価格供給中)。

STM32G0xデバイスとSTM32F0/F1デバイスのハードウェア差をまとめたのが表1です。STM32G0x出現で、STM32F1/F0デバイスで開発する意味は、低下したとも言えるでしょう。
※但し、他デバイスへの移植性・流用性を重視した開発ならSTM32F1/F0デバイスを使い汎用STM32Fxテンプレート使う意味は依然として大きいです。

現在はSTMから何のアナウンスもありませんが、STM32G0xと同じ70nm製造プロセスでCortex-M3/≦100MHzの上位デバイスSTM32G1xが発売されれば、なおさら低下します。

関連投稿に上記特徴の出典などがあります。
関連投稿:守備範囲が広いSTM32G0
関連投稿:STM新汎用MCU STM32G0

STM32G0x専用Edge MCUテンプレートと汎用STM32Fxテンプレートの違い

STM32Fxテンプレートは、ハードウェア差を隠蔽するHAL(Hardware Abstraction Layer)APIを使い、万一性能不足などでデバイスを変える事態が生じても、同じソフトウェアを使えます。従って、STM32F0とSTM32F1の両デバイスで動作するアプリケーションが、ほんの少しの修正で素早く作成できます。

これは、HALのおかげです。HALがデバイスや周辺回路差を吸収するため、アプリケーション側は移植性の高いシンプルな記述ができるのです。その副作用として、アプリケーション記述コードは少なくてもコンパイル後のコードサイズは、周辺回路を直接制御するLL(Low Layer)に比べ大きくなります。

関連投稿:STM32CubeMXの使い方、STM32CubeMXの2種ドライバライブラリの章参照

HALを使うと言うことは、たとえデバイスが変わっても開発したソフトウェアとその労力を無駄にせず、流用・応用できることが最大のメリットです。

汎用「STM32Fxテンプレート」は、この流用・応用に適したテンプレートです。動作確認評価ボードは、STM32F072RBとSTM32F103RBのみですが、全ての汎用STM32Fxデバイスへ応用できます。勿論、ここで示したSTM32G0xデバイスにもこのHALを使う手法は適用可能です。

一方、「STM32G0x専用Edge MCUテンプレート」は、LL APIを使います。つまり、STM32G0x専用のテンプレートです。※LL APIは、使用デバイスにより異なるので専用テンプレートになります。

STM32G1xデバイスが持つCortex-M0からCortex-M3までをカバーする広い適用力と超低電力動作を活かすには、ソフトウェア開発にHAL比60~80%の高速処理のLLを使った方が得策と判断しました。

つまり、STM32G0xデバイスをEdge MCUと認め、そのSTM32G0xの性能や能力を十分に発揮する専用テンプレートがSTM32G0x専用Edge MCUテンプレートです。
※但し、流用性が高い一部機能には、HAL活用も考慮中です。LLとHALは混在可能です。

STM32G0x専用Edge MCUテンプレートと汎用STM32Fxテンプレートの違いをまとめたのが表2、テンプレート開発の方向性を示したのが図1です。

STM32G0x Edge MCU評価ボード選定

STM32G0x専用Edge MCUテンプレートの動作確認評価ボードには、Nucleo-G071RB(¥1,203)を予定しています。

前投稿で示したEdge MCUテンプレート評価ボードの3要件を再掲します。

  • R1. 低価格、入手先豊富なEdge MCU評価ボード <¥3,000
  • R2. 最新Edge MCU使用(2018年後半の新しいIoTトレンドに沿って開発されたEdge MCUであること)
  • R3. 何らかのIoTサービス例を簡単に示せる

これら3要件のうち、R3:何らかのIoTサービス例を示す要件がNucleo-G071RB 単独ではNGですが、Arduinoコネクタに何らかのIoTサービスシールドを追加することで満たす予定です。

評価ボードNucleo-G071RB
評価ボードNucleo-G071RB。64ピンパッケージでも電源供給が2本のみのなのでアートワーク担当者が喜ぶ。

※STM32G0xデバイスの評価ボードで、IoTのUSB Type-Cサービスを示すSTM32G0 Discovery Kitや、暗号化処理サービスを示すSTM32G081B-EVALは、両方ともR3要件を満たしますが、価格要件R1<¥3,000を満たさないので利用を断念しました。

STM新汎用MCU STM32G0

2018年12月4日、STマイクロエレクトロニクス(以下STM)の公式ブログで新汎用MCU STM32G0、Cortex-M0+/64MHzを発表しました。以下の特徴があります。
※汎用=メインストリームと本稿では考えます。

新汎用STM32G0、Cortex-M0+/64MHz、メインストリーム90nmの特徴

STM32メインストリームMCU
STM32メインストリームMCU:STM32FxとSTM32G0の違い(出典:STM32 Mainstream)
  • 「メインストリーム初の90nmプロセスMCU」:従来メインストリームSTM32F0は180nmプロセス
  • 「ハイブリッド」:STM32L4(90nmプロセス)の低消費電力とSTM32F0のメインストリームの両方をハイブリッド
  • 「モアIO」:64ピンパッケージSTM32F071比較でIOピン9本増加、48ピンでもIOピン7本増加
  • 「単一電源供給」:PCBパターン設計が容易
  • 「セキュリティハード内蔵/非内蔵」:128/256ビットAES、セキュアブート、乱数発生器、Memory Protection Unit (MPU)
  • 「USB-C」: IPによりUSB-Type-C可能
  • NUCLEO-G071RB board」:低価格評価ボード提供中、「STM32G081B-EVAL board」:$382
STM32G0ラインナップ (出典:STM公式ブログ)
供給中の3種製品とSTM32G0ラインナップ (出典:STM公式ブログ)
STM32G0 Product Lines(出典:STM32G0 Serie Presentation)
STM32G0 Product Linesから3種製品の違いが解る(出典:STM32G0 Series Presentation)

STM32G0オンライントレーニング

データシートよりも解りやすいSTM32G0オンライントレーニング資料が多数あります(要ログイン)。

例えば、以下のような興味深い情報が得られます。各数ページの英文スライド形式ですので、STM32G0以外のMCUを使用中の方でも、チョットした空き時間に読めます。

  • STM32G0 Series Presentation:内蔵ハードウェアによりValue/Access/Access & Encryptionの3種製品特徴
  • ARM Cortex-M0+ (Core):Cortex-M0とM0+の差、Memory Protection Unit 説明
  • Safety:安全基準とその実現方法
  • Random Number Generator (RNG):アナログノイズに基づいた32ビット乱数発生
  • STM32G0 Boards:NUCLEO-G071RB board解説

STM32CubeMX V5.0.0

STM32G0のコード生成は、STM32CubeMX V5.0.0からサポートされました。

V4までと同じSW4STM32、TrueSTUDIO、両方のIDEで使えます。STM32CubeMX V5が提供するMCUファームパッケージで、本ブログ関連を抜粋したのが下表です。

STM32CubeMX V5.0.0提供MCUファームウェア版数
対象MCU firmware(評価ボード、STM32G0ボード暫定) 最新Version
STM32F1(STM32F103RB、Cortex-M3/64MHz V1.7.0
STM32F0(STM32F072RB、Cortex-M0/48MHz V1.9.0
STM32G0(V5で新設、STM32G071RB、Cortex-M0+/64MHz V1.0.0

STM32Fxテンプレートでも使用中のHAL(Hardware Abstraction Layer)ライブラリでコード生成すれば、STM32F1、STM32F0とSTM32G0間で、流用/応用が容易なソフトウェア開発ができると思います。

まとめ

新発売のSTM32G0は、90nmプロセス初のメインストリーム汎用MCUです。一般的に製造プロセスを微細化すれば、動作クロックが高速になり電力消費も低下します。さらに、STM32G0は、Cortex-M0より性能が向上したCortex-M0+コアの採用により、Cortex-M3のSTM32F1クラスに並ぶ高性能と超低消費電力動作をハイブリッドした新汎用MCUと言えます。

周辺回路では、IoTで懸念されるセキュリティ対策をハードウェアで実施、IOピン数増加、PCB化容易、USB-Type Cインタフェース提供など、各種IoTエッジMCU要求を満たす十分な魅力を持つMCUです。

競合するライバルMCUは、Cortex-M0+のNXP S32K116/S32K118(2018/7発売)などが考えられます。

関連投稿:NXP新汎用MCU S32K1

STM32CubeMXの使い方Tips

STM32CubeMXは、STM32Fxマイコンのコード生成ツールとして良く出来ています。但し、現状1つ残念なことがあります。HAL:Hardware Abstraction Layerに加え、BSP:Board Support Packagesをドライバとして出力しないことです。そこで、現状のHALドライバのみ出力に対策を加えます。

STM32CubeMX
STM32CubeMX

STM32Fxファームウエア構成

STM32Fx Software Structure
STM32Fx Software Structure

STM32Fxファームウエア構成が上図緑線の個所です。STM32Fxマイコンサンプルソフトは、使用するファームウエアライブラリに応じて、Low Layer examples、Mixed HAL & Low Layer examples、HAL examplesの3種類あります。

各ファームウエアの差や、サンプルソフトの場所は、以前記事で解説しました。ここでは、STM32F0からSTM32F1へのポータビリティが最も高いHALライブラリ(=ドライバ)を使うサンプルソフト:HAL examplesに的を絞って解説します。

HAL Examples

このサンプルソフトの優れた点は、評価ボード実装済みの青SW(USER Blue)と緑LED(LD2)のみで全てのサンプルソフト動作を確認できることです。SW入力と、LED点滅間隔を変えることで、正常/NG/入力待ちなど様々なサンプルソフトの動作状態を表現します。

この青SWと緑LEDを制御するには、GPIO定義とHALライブラリを組合せた一種のサブルーティンがあると便利です。このサブルーティンが、BPS:Board Support Packagesです。例えば、下記などです。

BSP_LED_On()、BSP_LED_Off()、BPS_LED_Toggle()、BPS_PB_GetState()

BSP_が先頭に付いているので、一目で評価ボード実装済みの青SWや緑LEDを制御していることが判りますし、HALライブラリを使って表現するよりも、可読性もより高まります。BPSの中身は、HAL自身ですので、Drivers層のBSP、HALともに同じ黄緑色で表示しています。

HAL exampleは、これらBSPとHAL両方を使って記述されています。

STM32CubeMX

STM32CubeMXは、最初に使用する評価ボードを選択後、コード生成が行えます。

STM32CubeMX Board Selector
STM32CubeMX Board Selector

但し、生成コードに含まれるのは、HALドライバのみです。BSPは、HALサブルーティンですので、自作もできますが、評価ボードを選択するのですから、せめてHALのみか、それともHALとBSPの両方をドライバとして出力するかの選択ができるように改善してほしい、というのが私の希望(最初に言った現状の残念なこと)です。

もしHALとBPSドライバ両方がSTM32CubeMXで出力されると、多くのHAL Examplesを殆どそのまま流用できるメリットが生じます。HAL Examplesは、残念ながらエキスパートの人手で開発したソースですが、これを自動コード生成の出力へ、より簡単に流用できる訳です。

STM32CubeMX出力ファイルへのBSP追加方法

BSPドライバを自動出力しない現状のSTM32CubeMXで、上記希望をかなえる方法は、簡単です。

STM32CubeMX出力ファイルへのBSP追加
STM32CubeMX出力ファイルへのBSP追加

手動でBSPのstm32f0xx_nucleo.cとstm32f0xx_nucleo.hをSTM32CubeMX生成プロジェクトのSrcとIncフォルダへコピーし、main.cのL43へ、#include “stm32f0xx_nucleo.h”を追記すればOKです。
※stm32f0xx_nucleo.c/hは、\STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F0_V1.8.0\Driversにあります。

たとえSTM32CubeMXで再コード生成しても、stm32f0xx_nucleo.c/hはそのままですし、追記した部分もそのまま転記されます。この方法で、HAL Examplesの流用性が向上します。

HAL Examplesを読むと、周辺回路の細かい設定内容が解ります。この設定をそのままSTM32CubeMXに用いれば、周辺回路の動作理解が進み、さらに自動コード生成ソースへ、Examplesソースをそのまま流用できるので、評価ボードでの動作確認も容易です。

まとめ

現状のSTM32CubeMXは、BSPドライバを出力しません。対策に、手動でBSPドライバを追加する方法を示しました。これによりエキスパートが開発したサンプルソフトを、より簡単に自動生成ソフトへ組込むことができます。

開発中の弊社STM32Fxテンプレートも、サンプルソフトを流用/活用が使いこなしのポイントです。そこで、このBPSを組込む方法をSTM32Fxテンプレートへも適用し、サンプルソフト流用性向上を図っています。

STM32F0ソフトをF1変更時のHAL利用効果

STM32ソフト開発に、HAL:Hardware Abstraction Layerライブラリを使えば、文字通りARMコアを抽象化したソフトが作れます。コード生成ツールSTM32CubeMXが、HALをデフォルトで使うのもこの理由からです(HALとLLライブラリについては、6月5日記事も参考にしてください)。

そこで、STM32CubeMXのHAL出力とF0:Cortex-M0評価ボードSTM32F072RB(48MHz)で動作するSTM32Fxシンプルテンプレートを、F1:Cortex-M3評価ボードSTM32F103RB(64MHz)へ載せ替えた時のソースコード変更箇所を示し、HALを使ってARMコアを抽象化した結果、ソースコードのどこが共通化でき、どこが異なるのかを具体的に示し、HALの利用効果を評価します。

※STM32Fxシンプルテンプレート仕様は、前回記事参照。
※STM32F072RBとSTM32F103RBは、ARMコアのみが異なる評価ボードで、実装済みの緑LEDとユーザ青SWも同一GPIOピンを使用しているので、STM32F0:Cortex-M0からSTM32F1:Cortex-M3へのソフト載せ替え評価に最適。

STM32FxシンプルテンプレートのSTM32F0からSTM32F1へのソースコード変更箇所

(1)HALライブラリのインクルード

結果から言うと、ARMコア抽象化機能を持つHALライブラリを使えばユーザが追記したソースコードは、大部分を共通にできます。
しかしHALライブラリ自身は、ARMコアにより異なります。このため、HALライブラリをインクルードするソースコードの箇所は、下記のようにstm32f0xx_hal.hからstm32f1xx_hal.hへ変更が必要です。

HALライブラリインクルード:STM32F0(左)とSTM32F1(右)
HALライブラリインクルード:STM32F0(左)とSTM32F1(右)

(2)割込み:NVICプログラマーズモデル

Cortex-M0/M0+は、割込み最大数32、優先度レベル4、一方Cortex-M3は、割込み最大数240、優先度レベル8~256とコアで異なるモデルですので、割込み関連ヘッダファイルの変更が必要です。

NVICプログラマーズモデル:STM32F0(右)とSTM32F1(左)
NVICプログラマーズモデル:STM32F0(右)とSTM32F1(左)

※STM32Fxシンプルテンプレートは、SysTick割込み以外はポーリングを使っています。GPIO割込みは、未使用です。この箇所は、デモソフトのGPIO割込み利用部分が参考になるため、テンプレートにそのまま流用した結果、変更が必要になった箇所です。

テンプレートへGPIO割込み処理を追加し、更にARMコアを変更する場合には、このNVICプログラマーズモデルの違いで変更が必要になります。

*  *  *

HALライブラリを使った結果、上記2か所以外のユーザソース、ヘッダファイルは、STM32F0とF1のMCUで共通化できました。共通ソースコードの一部を示します。動作クロックが48MHzと64MHzと異なりますが、同じHAL API:HAL_UART_Transmit()によりUART2送受信(19200bps 8-Non-1)ができています。

HAL_UART_Transmit()によるUART2送信
HAL_UART_Transmit()によるUART2送信

Cortex-M3のSTM32F103RB(64MHz)動作STM32Fxシンプルテンプレートファイル構成が下記です。

Simplate Template for STM32F1 Project Explorer
Simplate Template for STM32F1 Project Explorer

弊社が追加したソースファイルやヘッダファイルは、Pascal形式でファイル名を付けますので、図示のように赤で色分けしなくても一目でSTM32CubeMX生成ファイルとの区別ができます。

STM32CubeMX生成ファイルのHALライブラリインクルード部分は、STM32CubeMXが当該HALライブラリ(stm32f1xx_hal.h)を、また割込みは、当該NVICプログラマーズデモルに応じたソースを「上書きで」生成しますので、コア載せ替えによる修正箇所は、弊社追加ソースファイルとヘッダファイルに限定できます。

この限定ファイル(1)と(2)の個所のみを変更すれば、STM32F0ソースコードをF1へそのまま使えます。HALライブラリ利用によるソース/ヘッダの共通化効果は、非常に高いと言えるでしょう。

弊社ソースファイル、ヘッダファイルの変更箇所は、#ifdefプリプロセッサを使って、コアによる差分箇所を1つへまとめることも可能です。リリース版では、これを採用したいと考えています。HALライブラリ利用により、ARMコアに依存しないSTM32Fxテンプレート構想(x=0 or 1)が実現します。