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Kinetis Lテンプレート発売

WithHappy

FRDM-KL25ZとIoT汎用Baseboardを使った、NXP Kinetis Lシリーズ向けテンプレートを1000円（税込）で発売します。

IoT Baseboardテンプレート
IoT Baseboardテンプレート
IoT BaseboardテンプレートのVCOM
IoT BaseboardテンプレートのVCOM
IoT Baseboardテンプレート右横から
IoT Baseboardテンプレート右横から

Kinetis LシリーズとFRDM-KL25Z

超低消費電力と高性能を特徴とするNXPのKinetis Lシリーズは、2013年旧Freescale発売のCortex-M0+コア汎用マイコンです。FRDM-KL25Z（Cortex-M0+:48MHz、Flash:128KB、RAM:16KB）は、このKinetis Lシリーズ汎用マイコン習得ができる低コスト評価ボードです。

FRDM-KL25Zは、MCUXpresso SDK内にFreeRTOSとUSBのサンプルプロジェクトもあり、またmbed開発も可能です。様々なMCUアプリケーション開発に汎用的に使え、初心者から中級レベル以上の方でも満足できる仕様を持っています。

今年で発売から8年経過したKinetis Lシリーズは、最新のNXP開発環境MCUXpresso IDE/SDK/CFGでサポートされており、弊社Kinetis Lテンプレートもこの最新開発環境で開発しました。

Kinetis Lテンプレート

FRDM-KL25Z評価ボードのVCOM、GPIO、タッチスライダなどの基本的な使い方は、本ブログで既に説明してきました。

問題は、これら使い方を複数組み合わせてアプリケーションを開発する段階になった時、具体的にどうすれば開発できるかがマイコン初心者には解りにくく、つまずき易い点です。

Kinetis Lテンプレートは、この問題に対して1つの解決策を示します。詳細は、Kinetis Lテンプレートサイトと、付属説明資料のもくじ（一部ダウンロード可能）を参照ください。

FRDM-KL25Zで動作確認済みのKinetis Lテンプレートには、FRDM-KL25Z単体動作のシンプルなテンプレート応用例（Simpleテンプレート：下図）と、LCDやポテンショメータが動作し、様々なArduinoシールド追加も簡単にできるIoT汎用Baseboardとを併用したテンプレート応用例（IoT Baseboardテンプレート：最初の図）の2種類を添付しています。

Simpleテンプレート
Simpleテンプレート
SimpleテンプレートのVCOM
SimpleテンプレートのVCOM

マイコン初心者や中級レベル開発者の方が、テンプレート付属説明資料とSimpleテンプレートを利用するとKinetis Lシリーズの効率的習得、IoT Baseboardテンプレートを利用するとLCD/ADC動作済みでシールド追加も容易な段階からアプリケーション開発やIoTプロトタイプ開発が直に着手できるツールです。

これらテンプレートに、もくじ内容の付属説明資料を付けて1000円（税込）で販売中です。購入方法は、コチラを参照ください。

FRDM-KL25ZのFreeRTOSとUSB

MCUXpresso SDKが提供するFRDM-KL25Z評価ボードFreeRTOSサンプルプロジェクトは、弊社MCU RTOS習得（2020年版）で解説したNXP LPCXpresso54114 (Cortex-M4:100MHz、Flash:256KB、RAM:192KB）と同じ内容です。このRTOS習得ページを参照すれば、FRDM-KL25ZによるFreeRTOS理解も容易です。

また、難易度は高くなりますがUSBサンプルプロジェクトも、参考になる情報満載です。これらFreeRTOS、USBサンプルプロジェクトは、中級レベル以上のマイコン開発者に適しています。

初心者、中級レベル向け弊社Kinetis Lテンプレート付属説明資料には、FreeRTOS、USB関連情報は情報過多になるため含んでおりません。

テンプレート付属説明資料の範囲
テンプレート付属説明資料の範囲

しかし、テンプレートを使ってKinetis Lシリーズマイコン開発を習得すれば、スキルを効率的にレベルアップでき、難易度が高いFreeRTOSやUSB開発へも挑戦できます。

つまり、Kinetis Lテンプレートは、初心者、中級レベルの上級マイコン開発者への近道とも言えます。

あとがき

年末年始休暇中に、Cortex-M0+コアのKinetis Lテンプレート発売に何とかたどり着きました。

2021年は、Cortex-M4コアテンプレート化、無線やセキュリティなどのIoT MCU重要課題に対してサイト/ブログを見直すか？とも考えております。皆様のご意見、ご要望などをinfo@happytech.jpへお寄せ頂くと参考になります。

本年も引き続き、弊社マイコンテンプレートサイトと金曜ブログ、よろしくお願いいたします。

2020マイコンテンプレート案件総括

WithHappy

COVID-19パンデミックの2020年も残すところ2週間になりました。2020年の金曜ブログ投稿は本日が最後、次回は2021年1月8日（金）とし休暇に入ります。

※既存マイコンテンプレートは、年中無休、24時間販売中です、いつでもご購入お持ちしております。

2020マイコンテンプレート案件総括

  1. 🔴：Cortex-M4コア利用のマイコンテンプレート開発（2020年内）
  2. 🟡：FRDM-KL25ZとIoT汎用Baseboard利用のKinetis Lテンプレート発売（12月）
  3. 🟢：IoT MCU向け汎用Baseboard開発（10月）
  4. 🟢：STM32FxテンプレートV2発売（5月）
  5. 🟢：STM32G0xテンプレートV2発売（5月）

1のCortex-M4テンプレート開発は、STM32G4のRoot of Trustと、NXP LPCXpresso54114のRTOSサンプル解説で、Cortex-M4テンプレート化には程遠い状況です（赤ステータス）。

2のKinetis Lテンプレート（FRDM-KL25Z、Cortex-M0+/48MHz、Flash:128KB、RAM:16KB）は、添付説明資料作成が未着手です（黄ステータス）。

3のArduinoプロトタイプシールド追加、IoT MCU汎用Baseboardは完成しました（緑ステータス）。

4と5のSTM32FxテンプレートとSTM32G0xテンプレート発売までは、ほぼ順調に進みました（緑ステータス）。

対策としてブログ休暇中に、2のKinetis Lテンプレート完成と、これに伴うHappyTechサイト変更を目標にします。
１のCortex-M4テンプレート開発は、2021年内へ持越します。

ブログ記事高度検索機能（1月8日までの期間限定）

休暇中、ブログ更新はありません。そこで、読者の気になった過去の記事検索が、より高度にできる下記Googleカスタム検索機能を、1月8日までの期間限定で追加します。

上記検索は、WordPressのオリジナル検索（右上のSearch…窓）よりも、記事キーワード検索が高度にできます。少しでもキーワードが閃きましたら、入力してご活用ください。

あとがき

激変の2020年、テンプレート関連以外にも予定どおりに進まなかった案件や、新に発生した問題・課題も多数あります。例年より少し長めの休暇中、これらにも対処したいと考えております。今年のような環境変化に対し、柔軟に対応できる心身へ変えたいです（ヨガが良いかも？ 3日坊主確実ですが…😅）。

本年も、弊社ブログ、HappyTechサイトをご覧いただき、ありがとうございました。
今後も、引き続きよろしくお願いいたします。よいお年をお迎えください。

Cortex-M33とCortex-M0+/M4の差分

WithHappy

STマイクロエレクトロニクスが、STM32マイコン体験実習（セキュリティ編①～⑤）という動画でCortex-M33 TrustZone解説とSTM32L5（Cortex-M33/110MHz、Flash/256/512KB、RAM/256KB）のセキュリティ実習を行っています。

このセキュリティ編①：31min17secから、IoT MCU向けセキュリティ強化Cortex-M33コアのARM TrustZoneマイコンと、通常Cortex-M0+/M4コアマイコンとの差分を抽出しました。TrustZoneマイコン基礎知識の習得が目的です。

Cortex-M33とCortex-M0+/M4差分

セキュリティ編動画①～⑤概要

①P3（動画①、スライドP3を示します）に、動画①～⑤の概要が示されています。動画①でCortex-M33コアの解説、②でSTM32L5開発環境の準備、後半③～⑤でSTM32L5評価ボード：NUCLEO-L552ZE-Q（¥2,303 Mouser）を使ったセキュリティ演習という構成です。

本稿は、動画①から、ARM TrustZone Cortex-M33コアと通常Cortex-M0+/M4コアとの差分を一覧表にしました。

※ARM公式差分情報を知りたい方は、①P48の参考文献が参考になります。

Cortex-M33とCortex-M0+/M4の差分

オンデマンド動画ですので、好きな個所で止める、再生読度を変えるなどが可能です。動画①は、筆者が経験したTrustZone解説の中で最も分かり易い動画です。

特にP36/P37/P39は、4段階に増えたステート処理内容が具体的に判りTrustZoneマイコン特徴理解に役立ちます。
また、P19は、様々なセキュリティレベルと対応STM32MCUのセキュリティ機能差が一目で判る重要な資料です。

頁 要旨（ARM TrustZone Cortex-M33と通常Cortex-M0+/M4差分）
7 ソフトウェア攻撃防御策がTrustZone。物理攻撃対策はセキュアマイコン（≠汎用MCU）が有効。
12 Secure呼出し＝予め決めた手順で内蔵周辺回路（I2C/SPI/RAMなど）へアクセスする技術
Security Isolation＝Secure呼出しを使い通常アクセスと隔離・分離する技術
ARM TrustZone＝Security Isolationを対象MCUで柔軟に構成する技術
16 タンパ＝物理攻撃を検出→検出後バックアップレジスタやSRAM自動消去
JTAGピン無効化→設定後はGPIOなどで運用
WRP（WRite Protection）：数KB単位設定可能
RDP（ReaD Protection）：JTAG読出し禁止→読出検出でプログラム実行停止→PORで解除
Secure Memory＝起動時のみ読出し可能な領域
17 MPU（Memory Protection Unit）：最大16個メモリ領域の読書き、命令実行許可/禁止設定
18 セキュリティは単独では効果が薄く、複数重ね攻撃への敷居を上げ強化（暗号鍵保存例掲載）
19 STM32マイコン内蔵セキュリティ機能差一覧。TrustZone対応はSTM32L5のみ（2020/12時点）
STM32G0/G4(Cortex-M0+/M4)でもSRAM RDP機能などあり
22 TrustZoneは、アドレス空間とバス通信の両方をハードウェア監視しアクセス制御
23 アドレス空間監視＝コア内蔵SAU IDAU、バス通信監視＝TZ(TrustZone) ControllerとAHBバス
24 STM32L5は、内部FlashアクセスにST独自Flashレジスタとオプションバイトで保護
26 TrustZone-aware周辺回路＝DMA1&2/GPIO…などAHB接続回路は個別セキュリティ設定要
上記以外がSecurable周辺回路＝UART/SPI…などでAHB/APBブリッジがアクセス監視
29 従来MCUベアメタル開発は、mainループも割込みハンドラも常に特権モード動作の1段階
30 従来MCUのRTOS開発は、割込みハンドラ/RTOSが特権モード、ユーザタスクは非特権の2段階
32 Secureステート追加TrustZoneは、4段階化→各層の処理配置がTrustZoneソフト設計第一歩
35 Secureソフトと従来ソフトのプロジェクト差一覧
（セキュリティ関連設定はSecureソフトのみ可能でmain関数はあるがmainループなしなど）
36 TrustZoneマイコンベアメタル開発の4段階ステート処理配置例（TrustZoneソフト設計例1）
37 TrustZoneマイコンRTOS開発の4段階ステート処理配置例（TrustZoneソフト設計例2）
38 TrustZoneソフト開発時、Secureソフトと通常ソフトの2プロジェクト作成必要
39 TrustZoneソフトの基本実行フロー（Secureソフトから通常ソフトへの処理内容一覧）
40
41
42		 Secureステートと通常ステートのアドレス空間の見え方差まとめ
44 動画①全体まとめ
45 STM32L5開発時のキーポイント一覧（全18項目）
46 STM32L5開発時のキーポイント演習項目一覧（18項目中9項目を動画③～⑤で演習）
48 おすすめARMv8-M（Cortex-M33コア）TrustZone参考文献一覧

TrustZoneマイコン開発は工数2倍、スキルも必要

動画①は、他ベンダのARM Cortex-M33 TrustZoneマイコン開発でも基礎知識が得られます（※P24のST独自Flashレジスタとオプションバイト保護は除く）。IoT MCU向けセキュリティ強化Cortex-M33コアで導入されたTrustZoneを活用するには、①の理解は最低限必要です。

従来Cortex-M0+/M4に比べ、Cortex-M33シングルコア開発でもSecureと通常（Normal）ソフトウェアの2プロジェクト必要、メモリ空間と周辺回路のセキュリティ設定必要（メモリ分割損も生じると予想）、JTAGピン無効化など、従来のアプリケーション開発とそのデバッグに加え、ソフトウェア攻撃対策TrustZone導入による工数やその動作確認/解除などの手間が余分に必要になります。

このTrustZone導入オーバーヘッドは、少なくないです（セキュリティ編②～⑤でオーバーヘッド工数が判ります。補足章に動画②～⑤リンク添付）。Cortex-M33コア最高速度が110MHzと他コア比高速で、Flash/RAMも大容量なのは、このオーバーヘッドのハードウェア対策だと思います。

TrustZoneマイコンのソフトウェア開発工数は、同じアプリケーションの通常マイコン開発の2倍程度は必要になると思います。また、TrustZone起因のトラブルに対する分析スキルも必須です。

ソフトウェア攻撃に対する防御壁の高さは、言い換えると、ソフトウェア開発のし難さと等価です。セキュリティレベルが上がるにつれ、開発コストも上がります。

全てのIoT MCUがTrustZone対応MCUである必要は無いと思います。コスト重視の場合は、従来Cortex-M0+/M4コアでセキュリティ強化対応（例えば、関連投稿：STM32G0/G4のRoot of Trust(1)～(3)など）でも使える可能性があります（関連投稿：IoT MCUコア次世代像のIoT MCUコアの3層構造最下層のFront End IoT MCUに相当）。

セキュリティは、強固な方が良いのは当然ですが、それ相応の追加コストも生じます。セキュリティ対コストの観点からIoT MCUの選択が必要となるでしょう。

＊　＊　＊

セキュリティ対策は、いわば自動車保険のようなものです。保険代金の負担は、開発者かエンドユーザか、エンドユーザがTrustZone導入オーバーヘッドを理解することは難しいと思いますので悩ましい問題です😅。

Cortex-M33 TrustZoneマイコンは、ソフトウェア開発者が記述した処理を攻撃とマイコンが誤認識（正常認識）した場合は、無視、あるいは最悪、マイコンを使用不能にします。見つけにくい無視された処理が、開発者起因か、あるいはTrustZone起因かを分析できるスキル、これが、通常マイコン開発との最大の差分です。

STM32マイコン体験実習は、TrustZone起因スキルを習得できるよく考えられた教材です。

補足

STM32マイコン体験実習（セキュリティ編②）
STM32マイコン体験実習（セキュリティ編③）
STM32マイコン体験実習（セキュリティ編④）
STM32マイコン体験実習（セキュリティ編⑤）

関連投稿：STM HTML版マンスリー・アップデートの見かた4章の全体像リンク集なども役立ちます。

Cortex-M33コア以外でTrustZone技術を用いたマイコンは、Cortex-M35P、Cortex-M23があります。

IoT MCUの無線LAN

WithHappy

IoTに適した無線LANの条件とは？（TechTarget、2020年11月27日）記事を紹介し、IoT MCU関連のプライベート網無線LAN規格を説明します。

IoT向き無線LAN条件と規格

纏まった良い記事なので、一読をお勧めします。

記事を要約すると、IoT向きの無線LANの選定には、3つの検討ポイントがあります。

  1. 省電力性：バッテリーだけで長時間無線LAN通信ができる
  2. 長距離伝送性：アクセスポイント（AP）から1km以上離れる場合がある
  3. 国より異なる利用周波数の空き状態確認

各ポイントを満たす無線LAN規格として下記3つを挙げ特徴を説明しています。

  • IEEE 802.11ah（別名Wi-Fi HaLow）：Target Wake Time（TWT）により通信タイミングを調整しAP通信競合を防ぐと同時にスケジュールタイムまでスリープし電力消費を抑える
  • IEEE 802.11ba：TWTに加えWake-Up Radio省電力機能を利用しAPからの通信要求に対応
  • IEEE 802.11af： 54MHz～698MHz利用で900MHz～1GHzの802.11ah/802.11baより長距離伝送可能
    ※11afは、テレビ用ホワイトスペースのVHF/UHFバンド（54 MHz～790 MHz）利用なので空き状態により耐ノイズ注意

IoT向き無線LANとBluetooth

無線LANには、2.4GHz利用、数m～10m程度の「近距離無線通信規格」：IEEE 802.15.1（別名Bluetooth）もあります。コイン電池で1年以上動作できるなど超省電力動作ですが、低速です。PCやスマートフォンでは、マウス/キーボード/ヘッドホンなどの周辺機器との接続に使われます。

より高速、より長距離（400m程度）、より高スループットを目指し、Bluetooth v4.2、Bluetooth 5などと規格が変化しています。

IoT MCUへの実装は、Bluetooth 5内蔵MCUやBluetooth 5モジュールとMCUを接続する方法があります。

IoT 向き無線LANとPC/スマホ向き無線LAN

2020年12月時点のPC/スマートフォン無線LAN規格が下表です（出展：NTT西日本公式ホームページ）。

規格 周波数帯 最大通信速度
IEEE 802.11b 2.4GHz 11Mbps
IEEE 802.11g 2.4GHz 54Mbps
­­­­IEEE 802.11a 5GHz 54Mbps
IEEE 802.11n 2.4GHz 600Mbps
5GHz
IEEE 802.11ac 5GHz 6.9Gbps
IEEE 802.11ad（WiGig） 60GHz 6.8Gbps
IEEE 802.11ax 2.4GHz 9.6Gbps
5GHz

IoT向き無線LANと異なるのは、周波数帯がより高周波の2.4GHz/5GHzを利用する点と、新規格11ac/11ad/11ax、従来規格11b/11g/11a/11n、ともにデータ伝送速度が速い点です。スマホのAPは、家庭や店舗に設置された無線LANルータで、高周波利用のため伝送距離は精々100m程度、60GHzの11adでは10m程度です。公衆網5G高速化に伴い新無線LAN規格：11ac/11ad/11axが普及しつつあります。

動画再生などの利用形態も多いPC/スマホ向き無線LANは、「高速大容量化」が求められます。IoTの「長距離省電力」要求とは、異なる無線LAN規格となっています。

まとめ：IoT MCUプライベート網の無線LAN規格

無線LANアクセスポイントからの伝送距離変化
無線LANアクセスポイントからの伝送距離変化

プライベート網無線LAN規格は、APからの伝送距離により、

  1. 「近距離（10m以下）超省電力」規格（周辺機器向き）：Bluetooth（IEEE 802.15.1）
  2. 「短距離（100m程度）高速大容量」規格（PC/スマホ向き）：IEEE 802.11a/11b/11g/11n/11ac/WiGig（11ad）/11ax
  3. 「長距離（1km以上）省電力」規格（IoT向き）：Wi-Fi HaLow （IEEE 802.11ah）/11.af/11.ba

の3種類があります。

IoT MCUには、最新のBluetooth 5や屋外や1km半径の広い敷地内でも使える長距離省電力規格のWi-Fi HaLowが望まれるようです。

但し、普及済みのPC/スマホ向き無線LAN規格が使えると、屋内の既存PC/スマホ無線LANルータをインターネット空間へのAPに利用でき、常時電力供給も可能なため、低コストIoT MCUを実現する方法になりうると思います。


MCU開発者の将来像

WithHappy

現状のMCU開発経験が、将来どのように活かされるかの参考になる記事が、日経XTECH：「技術的負債」の処方箋に記載されました。記事を筆者なりに解釈したのが、下記です。

  • 現状：MCU開発者は、C/C++言語でMCUを動かす
  • 将来：MCU開発者はCTOとなり、日本語/英語で人/組織を動かす
  • MCUソフトウェア開発スキルは、経営、組織マネジメントへ活かせる

CTO：Chief Technical/Technology Officer

CTOとは、ビジネス幹部のポジションで、会社における技術的な役割に焦点をあてたもの。研究開発ディレクターの立場を拡張したものとして、アメリカでは1980年代に登場（Wikipediaより）。日本ではまだ馴染みが少なく、また記事にもあるようにソフトウェア開発経験を持つCTOも少ないです。

日本企業のCTOには、ソフトウェア開発経験が必須で、今後その比重は増すと思います。

Technical/Technologyに対する相対地位の日米の差は、依然かなりあります。例えば、日本企業のAI危機感が足りない？という記事にも表れています。80年代から言われたことですが、現在でもこの日米差は、あまり変わっておらず、依然として日本ではTechnical/Technology軽視傾向があります。

自動運転レベル3

その日本でもTechnical/Technologyの相対的重要さに気が付く環境がスグそこに来ました。自動運転レベル3搭載車発売です。

下記ラベルを貼った自動運行対応車を多く目にし、同じラベルでも搭載Technical/Technologyによる車の違いが目に見えるようになれば、誰でもTechnical/Technologyの重要さを認識すると思います。また、ソフトウェアアップデートやセキュリティ対策により、製品ソフトウェアの更新も重要と認識されるでしょう。

自動運転を示すラベルと搭載装置（出展：レベル3搭載車発売記事）
自動運転を示すラベルと搭載装置（出展：レベル3搭載車発売記事）

※自動車ソフトウェアのOTAアップデートは、関連投稿：5G、Wi-Fi6、NXP、STMの2章などを参照してください。

日本車と言っても、自動車はグローバル市場へ向けた製品です。Technical/Technologyの相対地位が高いグローバルな基準で製品化された結果が、その実力差やシェアとなって現れます。

この日本車に対し、殆どの日本製品のグローバル地位は、低下しつつあります。日本でのTechnical/Technology軽視の証左だと思います。

MCU開発者の将来像

本ブログ読者は、MCUソフトウェア/ハードウェア開発に携わる方が殆どです。ハードウェア担当でも、TP（テストプログラム）を自作するなど、ソフトウェアなしの製品開発は今やあり得ません。この開発作業は、最初の記事にあるように、泥臭く、地道な所作の繰返しです。

しかし、その繰返しで習得するMCUを開発するスキルは、将来必ず経営、組織マネジメントへも活かせます。対象がMCUから人や組織へ、使う言語が、C/C++言語から日本語/英語へ変わるだけです（もちろん、MCUより人の方が複雑怪奇ですが…😅）。

※C++は、C言語をオブジェクト指向プログラミングへ拡張した新言語。Cに比べ、MCU間移植性や拡張性に富む。C/C++ともに英語ベースのため、欧米人の意志伝達/思考との親和性は高い。

※英語キーワード理解があいまいだと、Technical/Technologyの基礎習得にぐらつきが生じる（関連投稿：MCUセキュリティ話題の5章）。英語リーディング能力もMCU開発者に必須。英語が読めると、ソフトウェア開発スキルや思考方法もグローバル開発者レベルに近づく。

現状日本のTechnical/Technology軽視環境は、IoT普及や自動運行対応車が増えるにつれて、いずれグローバルレベルへ変わります。その時は、CTOまたはその補佐役には、ソフトウェア開発経験は必須です。

MCU開発者の皆さんは、将来CTOを目指し開発製品の市場獲得ができるよう、今のソフトウェア開発スキルを磨いてください。

IoT MCU汎用Baseboardの汎用性

WithHappy

・IoT MCU汎用Baseboardの特徴
・CMOSデバイス直結を利用し、3.3V動作MCUソフトウェア開発に5V動作ハードウェアを使えること

をFRDM-KL25Z（動作範囲：1.71～3.6V、5V耐圧なし）を例に前稿で示しました。
このIoT MCU汎用Baseboard の汎用性について解りにくいというご指摘がありましたので、説明を加えます。

IoT MCU汎用Baseboard構成パーツ

IoT MCU汎用Baseboardの構成パーツが下図です。

Arduinoコネクタ有りのMCU評価ボードはFRDM-KL25Zを掲載しましたが、Arduinoコネクタを持たない例えば、Cypress）PSoC4000SなどのMCU評価ボードでも接続可能です。これが汎用性をうたった理由です。

様々な追加Arduinoシールドは、Arduinoコネクタでスタック接続、それ以外のパーツ間は、オス－オスコネクタで接続します。

IoT MCU汎用Baseboard構成（色付き領域）
IoT MCU汎用Baseboard構成（色付き領域）

一言で言うと、従来から使ってきた5V Baseboardに、Arduinoプロトタイプシールドを追加した構成です。

IoT MCU汎用Baseboard構成パーツの役割

パーツ名 機能、役割
MCU評価ボード 動作電圧：3.3V/5V動作のMCUソフトウェア開発ボード
外部ハードウェア接続：Arduinoコネクタ/独自コネクタ
追加Arduinoシールド IoT向けセンサなどをMCU評価ボードへ機能付加
Arduinoプロトタイプシールド シールド直上へスタック接続（Arduinoピン名シルクあり）
配線済みMCUリセット、未配線2個LED、1個SW実装済み
MCU評価ボード直上設置で操作性向上
5V Baseboard LCDやポテンショメータなど5V動作ハードウェア搭載
オス－オスコネクタ ボード、各パーツ間接続
Arduinoコネクタ Arduinoシールドスタック接続
CMOSデバイス直結 3.3V MCU出力→5Vハードウェア入力：接続問題なし
5Vハードウェア出力→3.3V MCU入力：5V耐圧無しなら3.3V以下
付属ブレッドボード CMOSデバイス直結時、電流保護抵抗や必須ハードウェア搭載

MCUに5V耐圧が無い時は、MCU入力電流保護抵抗や入力電圧を3.3V以下へ抑える必要があり、これら必須ハードウェア、およびArduinoプロトタイプシールド付属の2個LED、1個SW配線用に、プロトタイプシールド付属ブレッドボードを使います。

IoT MCUは、MCU評価ボード搭載済み機能だけでなく、様々なセンサや付加機能（例えば、構成パーツで示したデータロギングシールドなど）を追加して開発します。これら追加センサや付加機能ハードウェアを、安く早く調達するには、既製Arduinoシールドが適しています。

殆どのMCU評価ボードがArduinoシールドを追加できるように設計されているのはこのためです。Arduinoプロトタイプシールドは、Arduinoピン名がシルク印刷済みです。Arduinoピン名とMCUピン名のマッピングを間違う可能性も低く、リセット追加で制御系の操作性も向上します。

Arduinoコネクタ実装済みのFRDM-KL25Zの場合は、直上、または直下へArduinoシールドをスタック追加します。FRDM-KL25Z追加シールド処理結果を表示するため、プロトタイプシールド経由で5V Baseboard LCDと接続します。

独自コネクタで機能追加するPSoC4000S評価ボードなどに対しても、オス－オスコネクタでArduinoプロトタイプシールドと接続すれば、それ以外の部分は共通です。この時は、プロトタイプシールド直下にArduinoシールドを追加します。

※Arduinoシールドを複数追加する時は、スタック接続します。

様々なMCU評価ボードに対して、表中のMCU評価ボード以外の赤字パーツが汎用的に使え、かつ、Arduinoシールド追加性にも優れていることがお解り頂けたと思います。

IoT MCU汎用Baseboard用途

CMOSデバイス直結は、ハードウェア担当者からは、気持ちが悪いと言われるかもしれません。

この場合は、CMOSデバイス間にバス・スイッチ（SN74CB3T3245）を挿入すれば、パッシブデバイスですので高速性や信頼性、ノイズに対しても安心です。もちろん、動作ソフトウェアは同じものです。詳細は、関連投稿：3.3V MCUと5Vデバイスインタフェースを参照してください。

このIoT MCU汎用Baseboardは、早く、安くIoT MCUソフトウェア開発をするためのソフトウェア担当者向けツールという位置づけです。製品化にあたっては、ハードウェア担当者も安心するようにバス・スイッチの利用をお勧めします。

IoT MCU汎用Baseboard

WithHappy

弊社が考えるIoT MCU向き汎用Baseboardを示します。要件は、(1)IoT MCU向き、(2)低価格、(3)入手性の良さです。

Arduino UNOプロトタイプシールド ブレッドボード付き（￥480）と、従来から使ってきたBaseboardを併用した汎用Baseboardの特徴、FRDM-KL25Zを使った3.3V MCUと5V LCDのCMOSデバイス直結適用例を示します。

図1 Arduino UNO プロトタイプ シールド ブレッドボード 付き
図1 Arduino UNO プロトタイプ シールド ブレッドボード 付き

NXP IoT Module Baseboard

“IoT Baseboard”で検索すると、NXPのIoT Module Baseboard（＄160）が現れます。これは、右下にLPC54018（Cortex-M4/180MHz）をAdd-onし、EthernetやSD Card等の機能追加を行う「専用」Baseboardです。Baseboardに加え、ArduinoコネクタでもLPC54108へ機能追加できることが判ります。

図2 IoT Module Baseboard(UM11079に加筆)
図2 IoT Module Baseboard(UM11079に加筆)

LPC54018専用Baseboardで$160と高価ですが、Arduinoシールドが追加できる点が重要です。つまり、IoT Module Baseboardで基本機能追加、開発用途に応じた機能追加はArduinoシールドやPmodで行うという2通りの機能追加方式です。

Arduinoシールドで、様々なプロトタイピング開発に対応できる訳です。

Arduinoシールド

多くのMCU評価ボードは、上記LPC54018専用Baseboardと同様、Arduinoコネクタで機能追加が可能です。安価で豊富な種類のArduinoセンサシールドが販売中であることがその理由です。

弊社IoT MCU汎用Baseboardも、Arduinoシールドで機能追加できることをポイントと考えました。FRDM-KL25Zを例に説明します。

FRDM-KL25Zは、Arduinoコネクタが未実装ですのでコネクタを追加したのが図3です。Arduinoコネクタは、複数シールドをスタッカブルに装着するため、上側がメス、下側がオスの貫通ピンで構成されます。

図3 Arduinoコネクタ追加のFRDM-KL25Z
図3 Arduinoコネクタ追加のFRDM-KL25Z

Arduinoコネクタピン（青色）と、FRDM-KL25Zピン（赤色）の対応表です。例えば、右下のPTA1は、D0に対応するなど、MCU評価ボード開発時は赤色ピン、これがArduinoコネクタ利用時は青色ピンへ変わります。

図4 Arduinoコネクタピン（青色）とFRDM-KL25Zピン（赤色）対応表
図4 Arduinoコネクタピン（青色）とFRDM-KL25Zピン（赤色）対応表

MCU評価ボードにはArduinoピンのシルク印刷はありません。開発するMCU評価ボードのArduinoコネクタ対応表をよく見て、MCU評価ボードピンとArduinoピンマッピングを間違わないように注意する必要があります。

Arduino UNOプロトタイプシールド プレッドボード付き

図1のArduino UNOプロトタイプシールドは、MCUボード上に装着してもFRDM-KL25Zのタッチセンススライダの操作はできます。また、評価ボード上のLED動作は、プロトタイプシールドのスルーホールから目視できます。

さらに、プロトタイプシールドには、評価ボードRESETに並列接続済みリセットボタンと2個のLED、1個のSWが実装されています（図1回路図参照）。

プロトタイプシールドのLEDとSWは、評価ボードとは未接続ですが、付属のブレッドボードを使って配線すれば、LチカなどのMCU動作確認にも便利に使えます。

※Arduino UNOプロトタイプシールド プレッドボード付きの動作は、5章：3.3V MCUと3.3V LCD接続で示します。

IoT MCU汎用Baseboardと適用例

以上のようにArduino UNOプロトタイプシールドは、Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードの機能追加や動作テストに便利に出来ています。

そこで、このプロトタイプシールドを、弊社が従来から使ってきた5V動作Baseboardと併用します。

MCU評価ボードへのIoTセンサやセキュリティ機能などはArduinoシールドで追加、LCDやポテンショメータなどの機能は5V動作Baseboardにより追加、この2通り機能追加で「汎用開発」に使えるIoT MCU Baseboardになります。

MCU評価ボードとして3.3V動作FRDM-KL25Zと、Baseboard実装の「5V動作LCD」とをCMOSデバイス直結で接続した適用例を示します（CMOSデバイス直結は、関連投稿を参照してください）。

図5 IoT MCU汎用BaseboardのFRDM-KL25Z適用例
図5 IoT MCU汎用BaseboardのFRDM-KL25Z適用例

※IoTセンサシールド等を追加する場合は、MCU評価ボード（FRDM-KL25Z）の直上、または直下へスタック装着を想定しています。図5は、IoTセンサシールド等を省略した例と考えてください。

3.3V MCUと3.3V LCD接続

プロトタイプシールドを装着したFRDM-KL25Zへ、前章の「5V動作LCD」の代わりに「3.3V動作LCD」を接続した例も示します。FRDM-KL25Zソフトウェアは、どちらも同じものです。

関連投稿では未検証であった3.3V MCU開発ソフトウェア動作確認に、CMOSデバイス直結を利用し5V動作Baseboardが利用できることが、LCD表示が同じであることにより実証できました。

図6 プロトタイプシールド利用の3.3V MCU評価ボードと3.3V LCD接続例
図6 プロトタイプシールド利用の3.3V MCU評価ボードと3.3V LCD接続例

ブレッドボードに実装したのは、LCD表示コントラスト調整用スライド抵抗です。5V系センサ等と3.3V MCU評価ボードをCMOSデバイス直結時に必須となるMCU入力電流保護抵抗は、ブレッドボードへ実装し対応できます。

まとめ

Arduinoプロトタイプシールドと、従来から弊社が使ってきた5V Baseboard併用の、IoT MCU汎用 Baseboardを示しました。IoT関連の機能追加はArduinoシールドで、LCD等の機能追加は5V Baseboardで行い、低価格、入手性が良く、様々なIoT MCUプロトタイピングに使えます。

最低限必要なロジックをプロトタイプシールド付属ブレッドボードへ実装すれば、3.3V系MCU評価ボードと5V系ハードウェアの制御ソフトウェア開発に、CMOSデバイス直結が使えることを実証しました。

本稿で示したFRDM-KL25Z とIoT MCU汎用Baseboardを使ったKinetis Lテンプレートは、年内に発売予定です。ご期待ください。

5G、Wi-Fi6、NXP、STマイクロエレクトロニクス

WithHappy

公衆網の5G、無線LANのWi-Fi6、どちらもIoT MCUに必須となる無線通信技術です。本稿は、5GとWi-Fi6、MCU主要ベンダのNXPとSTマイクロエレクトロニクス2社の無線対応状況を簡単にまとめます。

5GとWi-Fi6

5GやWi-Fi6、Bluetoothは、無線通信技術です。違いは、5GがNTTやau、SBが提供する公衆網サービス、Wi-Fi6やBluetoothは、LANを無線化したプライベート網サービスだということです。

これら公衆網とプライベート網、両方の無線技術やサービスを積極的に活用するデバイスが、毎年新製品が発表されるスマートフォンです。搭載カメラやスマホ操作性だけでなく、5GやWi-Fi6実現のためにスマホプロセッサの性能向上は必須です。

5GやWi-Fi6の市場は急増中です。これら市場に対応するため、スマホは常に最新無線技術、高性能プロセサへと変わらなければならない運命です。開発担当者は大変でしょう。

5G、Wi-Fi6技術牽引はスマホと自動車

自動車業界のADAS：Advanced Driver-Assistance Systems、先進運転支援システムの開発速度もスマホ同様高速です。数年でモデルチェンジする新車に搭載する様々な新しい支援機能が、売上げを左右するからです。

これら新搭載機能にバグはつきものです。例えば、制限速度標識の車載カメラ認識はかなりの精度ですが、一般道で認識速度が110 km/hと表示された経験があります。メータ表示だけなので、車速が自動で上がることはありませんが…、バグです。

一般道で110km/h表示：フェールセーフでなくバグ
一般道で110km/h表示：フェールセーフでなくバグ

このようなバグに対して、2022年7月以降の新車は、スマホのようにOTA：Over-The-Airで車載ソフトウェアのアップデートを行う国際基準が発表されました。サイバーセキュリティ対策や走行安全性にも絡むので、かなりの処理が開発担当者に要求されると思います。

ついに自動車もスマホ同様、ソフトウェアOTA必須になります。インダストリアル業界も、当然ながら自動車業界OTAと同様の仕組みとなるでしょう。

無線技術やセキュリティ、AIなどの先端技術は、一般消費者の旺盛な購買力の対象となるスマホと自動車が牽引することは間違いありません。競争が激しく開発成果も解り易いのですが、開発者担当は最新技術習得の余裕も少なく、実装期限が限られるためセルフマネジメントが大変です。

NXP対応

NXPは、2020年9月に5G無線システム向け製造工場の稼働開始を発表し、2021年初頭までにフル稼働、5Gや次の6G向け無線チップを自社製造できる見通しです。また、NXP本社副社長でもあるNXPジャパン新社長の和島正幸氏の就任も発表されました。

せっかく開発した量産電気自動車（Electric Vehicle）の販売予約中止の原因は、車載バッテリーの供給が追付かないからだそうです。無線システムのかなめ、RFチップ供給が同じ状況になるのを避けるためのNXPの措置だと思います。

STマイクロエレクトロニクス対応

STマイクロエレクトロニクスは、2020年10月7日、無線LANのBluetooth LE 5.2対応Cortex-M0+ベースMCUとその評価ボードを発表しました。Arduinoコネクタ付属で、使い勝手も良さそうな気がします。

STEVAL-IDB011V1 Evaluation Board and Updated BlueNRG Software（出展：STマイクロ）
STEVAL-IDB011V1 Evaluation Board and Updated BlueNRG Software（出展：STマイクロ）

IoT MCUの爆発的な需要増加に対して、MCU主要ベンダのNXPやSTマイクロエレクトロニクスは、着々と準備を進めています。

インダストリアル業界IoT端境期

スマホや自動車業界のように競合他社より少しでも早く最新技術を導入し製品化する動きに対し、インダストリアル業界は、COVID-19の影響でIoT技術導入の端境期のようです。つまり、積極的にIoTを進めるデンソーのようなグループと、暫く様子見をして徐々にIoTを進めるグループの2つに分離しつつあるということです。

インダストリアル業界対応の開発者は、この端境期を逆に利用し、IoT最新技術を学習しつつ、来るべきIoT開発案件をこなす力を備えるチャンスです。

具体的には、自動車やスマホで先行した無線/セキュリティ/AI技術を、効率的にIoT MCUへ流用・応用できる開発力です。または、MCUベンダ提供の無線/セキュリティ/AI最新技術サンプルプロジェクトを理解し、評価ボードを上手く活用できる開発力とも言えます。

インダストリアル業界の顧客出力となるソフトウェア/ハードウェアを、要求期限内に開発成果として提出できるベストエフォート技術、この比重が増すと思います。開発成果の不完全さやセキュリティ追加、変更はOTAで対応します。

Firefox Send終了

WithHappy

クラウドファイル共有サービス：Firefox Sendが2020年9月17日終了となりました。弊社テンプレート配布に最適なFirefox Send終了、残念です。代替にGoogle Driveを使いますが、送受双方に手間が1つ増えます。

本稿は、この増えた手間を説明し、セキュリティと利便性が相反することを示します。

Firefox SendからGoogle Driveへクラウドファイル共有サービス変更
Firefox SendからGoogle Driveへクラウドファイル共有サービス変更

Firefox SendとGoogle Drive比較

Firefox Sendは「ファイル共有」専門サービス。共有ファイル保存期間はアップロード後最大7日、または、ダウンロード1回で共有ファイルがオンライン上から自動的に消去されるなど、「ファイル保存」が主目的のGoogle Driveにない使い勝手がありました。

ファイル共有Firefox Sendとファイル保存Google Drive比較
Firefox Send Google Drive
ファイル共有期間 最大7日 設定不可
受信側ダウンロード回数 1回 設定不可
利用料金 無料（最大2.5GB） 無料（最大15GB）
ダウンロード側ログイン 不要 不要
パスワード保護 可能 可能
特徴 ファイル共有に最適 ファイル保存に最適

共有ファイルダウンロードリンクを送信側から受信側へメール通知、受信側がFirefox/Chrome/Edgeなどのモダンブラウザを使って共有ファイルダウンロードに成功しさえすれば、ファイル共有は終了です。ここまでは、Firefox SendとGoogle Drive全く同じです。Firefox Sendは処理完了です。

違いは、Google Driveがファイルの共有期間やダウンロード回数の制限を設けることができない点です。また、受信側が共有ファイルをダウンロードしたことを、送信側が知る手段もありません。

Google Driveでのダウンロード成功後、受信側に成功通知メールをお願いするのは、Firefox Sendでは自動で行われる共有ファイル削除、または、共有停止を送信側が手動にて行うためです。

Firefox Sendに比べ、Google Driveでは送受双方に処理完了までにこの手間が1つ余分に掛かる訳です。

Firefox Send終了理由

Firefox Sendサービス終了の理由は、マルウェア配布手段として悪用されるケースが増え、開発元Mozillaがサービスラインナップ全体コスト、戦略的焦点を見直した結果と発表されています。

高度な暗号化とファイル自動消去のFirefox Send共有サービスは、Firefoxという誰にでも知られた信頼性の高いダウンロードリンククリックだけで簡単にマルウェアをデバイスへ送れます。一般のユーザだけでなく、ハッカーにとっても便利なツールとして悪用されたのでしょう。

無料一時保存ファイルのマルウェア排除を実施することは、無理だとMozillaがあきらめたのだと思います。ただ、次々に生まれるマルウェア排除は、たとえ有料でも困難かもしれませんが…。

セキュリティと利便性の相反例です。また、セキュリティとその対価：費用対効果を考えさせる例でもあります。

企業が自社クローズドサーバーでのみ社員ファイル共有を許可するのは、費用対効果の実現解なのでしょう。
※同様に、IoT MCU開発でもセキュリティ実現解検討が必須です。

Google Drive代替理由

Firefox Send代替にGoogle Driveを選んだ理由は、ファイルの「ダウンロード前や共有前」に、ウィルススキャンが自動的に行われるからです。ウィルス検出時は、警告表示があります。

※ウィルススキャンは圧縮ファイルでも実施されます。但し、パスワード保護を行うとスキャン不可能になりますのでパスワードは設定しません。Firefox Sendでもこれら処理は実施されていたと思いますが…、ハッカーはパスワード保護でスキャンをかわしたのだと思います😥。

無償、セキュリティ、信頼度の高さ、モダンブラウザで利用できる点、これらからGoogle Driveを代替として弊社は選びました。

全テンプレート継続販売

販売中の弊社テンプレートは、戦略的焦点（？？？）から販売継続いたします。販売中止のサイト変更手間と消えるリンク対応などを考慮すると、そのまま継続販売する費用対効果が高いからです。

本ブログでは、その時々に応じてテンプレート販売中止・終了予定なども記載しますが、マイコンテンプレート名が購入サイトに掲載している限り販売は継続いたしますので安心（？）してご購入ください😌。

MCUセキュリティ話題

WithHappy

MCU開発中、進捗が詰まることはだれでもあります。そんな時にスタックした気分を変えるMCUセキュリティ関連話題を投稿します。

MCU開発には集中力が必要ですが、その持続は、精々数時間です。人のスタック深さは有限ですので、開発を経過時間で区切るのが1つ、別方法として集中気分を切替て開発詰まりを乗切る時の話題を示します。

気分転換が目的ですので、硬い話ではありません😁。

セキュリティ更新終了

Microsoftが、Office 2010は今年2020年10月13日、Windows 10バージョン1903は2020年12月8日にサポートを終了します。これらソフトウェアご利用中の方は、新ソフトウェアへの入替が必要です。

サポート終了とは、「セキュリティ更新プログラム配布終了」のことです。ソフトウェア自体がPCで使えなくなる訳ではありません。しかし、ハッカーなどによる新たなサイバー攻撃を防ぐ手段が無くなりますので、安全・安心な利用ができなくなります。

ところで、安全・安心の根拠、セキュリティ、セーフティ、セキュア…などの日本語は、あいまいに使われます。しかし、英語の「SecurityとSafetyは別物」です。

オンラインセミナー：STマイクロエレクトロニクスのTrustZone対応マイコンによるIoTセキュリティによると、

  • Security：外部からの危害（攻撃や改竄）から、MCU内部が保護されている状態
  • Safety：MCU誤動作や故障などが原因で、MCU外部へ衝突や爆発などの危害を与えない状態

英語でのSecurityとSafetyの使い分けは、対象がMCU内部ならSecurity、MCU外部ならSafetyと、明確な区別があります。

MCUセキュリティ関連資料を英語で読むときは、対象は単語で解ります。日本語訳資料を読むときは、対象がMCU内部か外部かを区別して理解する必要があります。

IoT機器侵入調査

総務省、IoT機器に侵入を試みる際のIDとパスワードの組み合わせを、従来の100通りから600通りに増やし、侵入できたIoT機器所有ユーザへ対策を呼び掛けた。2020年9月11日、ITmedia。

つまり、ハッカーの代わりに総務省）国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）が、NOTICE：National Operation Towards IoT Clean Environmentに参加しているISP 62社のIPアドレスに対して、疑似攻撃をしかけ、問題があったIPアドレスユーザへ注意を促した、ということです。

過去のサイバー攻撃にあったIDとパスワードにたまたまなっていた場合、たとえ厳重な管理であっても安全でない（!Security）訳です。IoT機器のアクセス方式、「IDとパスワード」には、限界があるかもしれません。

多要素承認

金融庁、銀行・決済各社に本人確認の徹底を要請。2020年9月16日、ITmedia。

ハッカーによるドコモ口座の不正利用が、多要素認証で防げるのかについてのセキュリティ専門家解説は、筆者には正直言って判りません。

多要素認証とは、セキュリティ情報アクセス時、スマホなどの本人しか持たないモバイルデバイスへ送った認証コードなどを使ってログインする仕組みです。「パスワードレスログイン」とも言われます。

海外ドラマでは、スマホの乗っ取りも簡単です。モバイルデバイスの2要素認証コード入力で十分なのでしょうか？　スマホを持たない人は、決済サービスを利用できない、またはさらに生体認証が必要なのでしょうか？

この多要素認証をMCUへ実装する場合、どうすれば良いのでしょうか？

暗号化脆弱性

TLS 1.2とそれ以前に脆弱性、2020年9月16日、マイナビニュース。

ブラウザ経由でクレジットカード番号を送る時、通信データを暗号化し盗聴を防ぐしくみが、TLS：Transport Layer Securityです。このTLS 1.2に脆弱性が見つかり、TLS 1.3を使うなどの対策が示されています。

MCUで以前は問題無かった暗号化技術にこのような対策を実施するには、組込み済みソフトウェア、またはハードウェアの一部更新が必要です。

暗号化部品が壊れた、または脆弱性発見時、対象部品のみ交換できるMCU機器があれば良いのですが…。

デジタル後進国

“デジタル後進国”で検索すると、「日本はデジタル、IT後進国」だという記事概要が多く見つかります。

セキュリティ用語の区別もあいまいなままの日本です。先進国開発済みのMCUセキュリティ技術を、理解不足のまま流用しても当面は良いのでしょうが…、セキュリティとあいまい性、本質的に相反する気がします。
ハッカーの攻撃は、あいまい性で生じるMCUセキュリティのすきまを狙うのですから。

MCUセキュリティに関しては、何事にもあいまい性が好まれ日本不得意な「明確さ」、これが必須だと思います。

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MCU開発時、スタック気分を変える時に役立つMCUセキュリティ関連話題を5つ投稿しました。

IDとパスワードで保護するMCUセキュリティ
IDとパスワードで保護するMCUセキュリティ