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3.3V MCUと5Vデバイスインタフェース

WithHappy

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

が弊社投稿：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デバイス直結 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デバイス直結

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、3.3V 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デバイス直結を利用すると、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

WithHappy
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。

FRDM評価ボードOpenSDA接続問題整理

WithHappy

Kinetis E（Cortex-M0+/40MHz、5V Robust）テンプレートv2開発障害となっている評価ボード：FRDM-KE02Z40MのOpenSDAとMCUXpresso IDEデバッガ間の接続問題は、残念ながら未解決です。今回は、このOpenSDA問題を簡単に整理します。また、Linuxによる第2のMCU開発環境構築の新設カテゴリも示します。

Kinetis OpenSDA

OpenSDA Block Diagram（出典：OpenSDA Users Guideに加筆）
OpenSDA Block Diagram（出典：OpenSDA Users Guideに加筆）

Figure 1は、MCUXpresso IDEとKineties MCU間のブロック図です。旧Freescaleは、Kinetis Design Studio：KDSというFreescale製IDEとKinetis MCU評価マイコンボード間の接続は、OpenSDAというインタフェースで接続していました。

このOpenSDAは、KDS直接接続だけでなく、PC（Windows 7）との接続時、File System（USBメモリ）として動作し、クラウド開発環境：mbed開発にも利用できる2種類のプログラミング機能を持ちます。

現在問題発生中のFRDM-KE02Z40MのOpenSDAも、Windows 7当時は問題なく動作していました。その結果、Kinetis Eテンプレートv1発売ができました。

MCUXpresso IDE接続問題（Windows 10）

Freescaleを買収したNXPは、自社LPCと新旧Freescale Kinetis両マイコンに新しい統合開発環境：MCUXpresso IDEを用意しました。このMCUXpresso IDEの評価ボード接続インタフェース一覧（一部抜粋）が下図です。

MCUXpresso SDK support platform（出典：Getting Started with MCUXpresso）
MCUXpresso SDK support platform（出典：Getting Started with MCUXpresso）

簡単に説明すると、MCUXpresso IDEは、NXP純正評価ボードEVKやLPCXpresso54xxx接続インタフェース：CMSIS-DAPと、新旧FRDM評価ボード接続インタフェース：OpenSDA v1系/v2系とmbedの3種類全てをサポートします。

接続問題が発生するのは、OpenSDAの一部です（表内にFRDM-KE02Z40Mが無いのは不安ですが、記載漏れだと思います）。FRDM-KL25Z（Cortex-M0+/48MHz、General Purpose）のOpenSDAは、MCUXpresso IDEと問題なく接続できています。

接続問題解決には、Figure 1のMSB Bootloaderを、MCUXpresso IDE対応済みの最新版へUpdateすることが必要です。

MSB Bootloader更新注意点（Windows 10）

MSB Bootloader更新方法は、評価ボードのリセットボタンを押しながらPC（Windows 10）とUSB接続し、エクスプローラーに現れるBootloaderフォルダへ、最新版：BOOTUPDATEAPP_Pemicro_v118.SDAをドラッグ＆ドロップするだけです（FRDM-KE02Z40Mの最新Bootloaderは、コチラから取得できます）。

この操作後、再度評価ボードとPCを接続すると、今度はエクスプローラーに通常モードのFRDM-KE02Z40Mフォルダが現れ、更新完了となるハズです。ところが、筆者の評価ボードは、Bootloaderモードから通常モードへ復帰しません。

従って、MCUXpresso IDEとFRDM-KE02Z40MをUSB接続しても、IDEは評価ボード無しに認識します。

簡単に説明しましたが、実際はWindows 10でのBootloader 更新時、「Windows 7では不要であったストレージサービスの一時停止が必須」です（詳細は、コチラのNXP情報のStep 2を参照してください）。

調べると、Windows 8以降に一般的なユーザには知らせずに追加したWindows PCのUSBメモリへの隠しフォルダ書込み機能（これが上記一時停止するストレージサービス）が、諸悪の根源のようです。

FRDM評価ボードOpenSDA接続問題整理と対策（Windows 10）

以上を整理し、対策をまとめます。

・旧Freescale製FRDM評価ボードが、新しいNXP MCUXpresso IDEと接続できない原因は、評価ボードOpenSDAのMSB Bootloaderにあり、対策は、MCUXpresso IDE対応版Bootloaderへの更新を、Windows 10ストレージサービスを停止させた状態で行うことが必要。

旧Freescale製（つまりWindow 7対応）のまま入手したFRDM評価ボードは、FRDM-KE02Z40M以外でもIDE接続問題が発生することがありますので、上記まとめを参考に対策してください。

このまとめと対策にたどり着く前に、Windows 10でストレージサービスを停止せずにFRDM-KE02Z40MのOpenSDA MSB Bootloader更新を何度か繰返しました。評価ボードが、Bootloaderモードから通常モードへ復帰しない理由は、これかもしれません😥。

筆者は、Windows 7時代からFRDM評価ボードを活用してきました。まさか、Bootloaderモード時にWindows 10ではサービス一時停止が必須だとは思いもしませんでした。しかも、このサービスは隠しフォルダ対応なので、通常ではWindows 7と同様にBootloader更新が正常終了したように見えます。

事前に調査しなかった筆者が悪いのですが、旧Freescale評価ボード記載Windows 7対応マニュアル通りに対処すれば、筆者と同じトラブルに出会う人は多いハズです。

また、OpenSDAユーザズガイドにも上記トラブルからの復帰方法の記載はありません。ネット検索か、NXP communityが解決手段でしょう😥。解決方法が見つかれば、本ブログでお知らせします。

エンドユーザを無視したかのようなWindows 10の度重なる変更に起因するトラブルは、今後も増える可能性があると思います。次章は、その対策です。

Windows MCU開発者向けLinuxカテゴリ新設

筆者は、昨年からLinux MintでのMCUXpresso IDE開発環境もWindows 10のバックアップ用に構築しています。このLinux環境でも、残念ながら今回のトラブル回復はできていません。

今回はLinux/Windows両方NGでしたが、Windows以外の第2のMCU開発環境があると、何かと便利です。

そこで、本ブログで、Windows MCU開発に慣れた開発者が、簡単にLinuxを使うための情報も発信したいと思います。このための新設カテゴリが、PC：パソコン＞Linuxです。
※親カテゴリPC：パソコンへ、LibreOfficeとWindowsも移設しました。

Windows 10、Linuxともに単なるPC OSです。Linux上でMCU開発アプリケーション、本ブログではNXP MCUXpresso IDEやSTM STM32CubeIDEを利用するために、最低限必要な情報に絞って説明する予定です。

Linux情報量もまたWindows同様多いのですが、Windowsに慣れたMCU開発者としては、当面不要な情報も多く、Windowsの代わりにLinuxを短期間で効率的に活用するMCU開発環境構築が目標・目的です。今回のようなWindows PCでのトラブル発生時、Linux PCへ移ってMCU開発を停止することなく継続するのが狙いです。

MCU Devopments Windows and Linux 2 Routes
MCU Devopments Windows and Linux 2 Routes

Linuxのシステム動作要件は下記で、Windows 10よりも低いので、古いPCでも快適に動作します。ただし新しいOS利用なら「64ビットCPUは必須」ですが…😅。32ビットPC OSの新規開発は、終了しました。

  • 1GB RAM (2GB recommended for a comfortable usage)
  • 15GB of disk space (20GB recommended)
  • 1024×768 resolution

COVID-19の影響で、市場に中古PCが安価で数多く出回っていますので、これら活用も一案かと思います。

MCUの5V耐圧ピン

WithHappy

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 OSやZephyr 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。

NXPのFreeMASTER

WithHappy

FreeMASTERは、NXP組込みMCUのアプリケーションのリアルタイム変数モニタと、モニタデータの可視化ツールです。関連投稿：STマイクロエレクトロニクスのSTM32CubeMoniterとほぼ同じ機能を提供します。

NXP資料FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview を使ってFreeMASTERの特徴を示します。

FreeMASTERとIDEデバッガ機能差

FreeMASTERと、開発者が普段使うIDEデバッガとの差が一目で解る図がP13にあります。

FreeMASTERとデバッガの違い（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）
FreeMASTERとデバッガの違い（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）

両者の機能境界が、ソースコードのデバッグ機能です。IDE（MCUXpresso IDE）でも変数ロギングやグラフ化機能はありますが、プログラム開発者向けの最低機能に絞ったものです（limited functionality）。

これに対し、FreeMASTERは、msec分解能のグラフ化と、μsec分解能のデータ取得が可能です。更に取得データを利用し、Field-tune parametersやRemote controlなど多くの機能を持つツールです。データの取得は、MCU実装のUARTやUSB、SWD経由です。

FreeMASTERを使うと、外付け制御パネルの代替やGUIアプリケーションとしても活用できます。例えば、下図のようなモータ制御パネルが、PC上でFreeMASTERソフトウェアのみで実現できる訳です。

FreeMASTERを使ったモータ制御パネル例（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）
FreeMASTERを使ったモータ制御パネル例（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）

 FreeMASTER構成

Windows PCにおけるFreeMASTER構成がP20です。詳細は、P21～25に示されています。Linux PCでの構成は、P26に示したFreeMASTER Liteが使われます。

FreeMASTER Windows PC構成（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）
FreeMASTER Windows PC構成（出典：FreeMASTER Run-Time Debugging Tool – Overview）

MCU開発トレンド：ビジュアル化と脱Windows

組込みアプリケーションのビジュアル化は、最近のMCU開発トレンドです。

MCU本体の性能を使わずに変数データを取出し、そのデータを高性能PCとプラグイン機能を利用し、データ可視化やリモート制御を実現します。本稿で紹介したNXPのFreeMASTERやSTのSTM32CubeMoniterがこのトレンドをけん引する技術です。

また、オープンソースLinux PCへのMCU開発環境移行や各社IDEマルチプラットフォーム化、つまり脱Windowsもトレンドの1つです。

上級開発者向けというイメージが強かったLinux PCですが、一般ユーザへも普及し始めました（Wikipediaより）。筆者も昨年から、MCU開発Main-PCのWindows 10とは別に、Backup-PCにLinux Mintを新規インストールし試用中です。

半年間の試用では、OSインストール、大型/定期更新、セキュリティに関してもLinux Mintの方が、Windows 10より安定感があります。

もはや現状のWindows 10では、信頼性があったWindows 7のレベルにはならない気がします。

既存Windows 10に手を加えるよりも、新OSを開発するほうが、早道で、安心してPCを利用したい一般ユーザ要求も同時に満たせるのではないでしょうか？　商業的理由は、セキュリティ対応強化とすれば、内容不明ながら大多数の納得も得られるでしょう。※あくまで、ソフトウェア開発経験者個人の見解です。

NXP新CEO Kurt Sievers氏

2020年5月28日、蘭）NXPのCEOがリチャード・L・クレマー（Richard L. Clemmer）氏から、カート・シーヴァーズ（Kurt Sievers）氏への交代発表がありました。こちらのEE Times記事に新CEOカート・シーヴァーズ氏の経歴や、米中貿易摩擦下でのNXP中国分析などが示されています。

欧州MCUベンダNXPのアフターCOVID-19への布石、さすがに早いです。

STM32G0/G4のRoot of Trust(1)

WithHappy

2020年3月号STM32マンスリー・アップデートのP4に、STM32マイコンでRoot of Trustを実現するセキュリティ・ソフトウェア・パッケージ：X-CUBE-SBSFUが紹介されています。

セキュア・ブート、セキュア・ファームウェア更新、Root of Trust…などIoT MCUセキュリティ用語満載で、投稿：総務省によるIoT機器アップデート機能義務化に関連しそうな内容です。

解りにくいこれらセキュリティ関連の用語解説と、本ブログ対象STマイクロエレクトロニクスのSTM32G0/G4シリーズのRoot of Trust実現方法を、今回から数回に分けて投稿します。

Root of Trust とX-CUBE-SBSFU、STM32G0/G4

マンスリー・アップデートの説明は、エッセンスのみを抽出した代物なので、リーフレットを使って説明します。

一言で言うと、「Root of Trust実現には、X-CUBE-SBSFUが必要で、対応中STM32MCUが下表」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）

つまり、Root of Trustは全てのSTM32MCUで実現できる訳ではなく、表中のMCU、メインストリーム（汎用）・マイコンの場合は、STM32G0とSTM32G4がセキュア・ブート（SB）とセキュア・ファームウェア更新（SFB）に対応しておりRoot of Trustを実現しています。

X-CUBE-SBSFUの下線部SBはセキュア・ブート、SFUはセキュアFW更新を示します。X-CUBEは、STM純正ソフトウェアツールの総称です。

信頼性を実現するハードウェア/ソフトウェアの根幹部分を、Root of Trustと呼びます。

汎用MCUでRoot of Trustの実現には、ハードウェア/ソフトウェア両方に相応の能力が必要で、従来からある汎用STM32Fxシリーズではなく、新しい汎用STM32G0/G4にSBとSFUが実装されたのだと思います。

ということは、総務省のIoT機器アップデート機能義務化が実施されると、IoTエッジで使う汎用MCUは、必然的にSTM32G0/G4シリーズになるかもしれません。
※X-CUBE-SBSFUは、移植性の高いHAL API利用のため、従来汎用STM32Fxへも流用可能かもしれません。しかし、現時点では、表記STM32G0/G4のみ対応と解釈しています。

STM32汎用MCUラインナップ
STM32汎用MCUラインナップ（出典：STM32 Mainsterm MCUsに加筆）

用語を説明したのみですが、Root of Trust とX-CUBE-SBSFU、汎用マイコンSTM32G0/G4の関係が、マンスリー・アップデートエッセンスより見えてきたと思いますがいかがでしょう。

さらに、一歩踏み込んで、STM32G0/G4のセキュア・ブート、セキュア・ファームウェア更新方法やセキュリティの背景などの詳細は、次回以降説明します。

X-CUBE-SBSFUユーザマニュアル：UM2262

次回以降の説明は、X-CUBE-SBSFUユーザマニュアル日本語版（2019 年 11 月14日）：UM2262を基に行います。

UM2262は、X-CUBE-SBSFU対応中の全てのSTM32マイコン（ハイパフォーマンス/超低消費電力/メインストリーム（汎用）/ワイヤレス）が併記されています。

そこで、STM32G0とSTM32G4関連のみを抜粋し、特にセキュア・ブート（SB）とセキュア・ファームウェア更新（SFU）の設定方法と背景を中心に説明します。販売中のSTM32G0xテンプレートと、開発予定のSTM32G4テンプレートに関連するからです。

本稿で示したRoot of Trustを、STM32G4テンプレートに実装するかは未定です。しかし、IoTエッジマイコンのSTM32G4らしさを出すには、Root of Trust実現は必須だと思います。

また、STM32G0xテンプレートは、まずVersion 2改版で新統合環境：STM32CubeIDE v1.3.0への対応を予定しております（現行版は、SW4STM32開発のVersion 1）。
※STM32G0関連の投稿は、本ブログ右上のSearch窓へ、“STM32G0”と入力すると、効率よく投稿が集まります。新汎用STM32G0の特徴、STM32G0xテンプレートのことが解ります。

STM32G0へのRoot of Trust実装も未定ですが、対応する場合でもVersion 2より後にするつもりです。

従って、具体的なRoot of Trust実現方法は、STM32G4シリーズで先行、その後にSTM32G0シリーズが続くという順番になります。

TrustZone対応STM32マイコン体験セミナー（セキュリティ編）

5月22日（品川）と7月31日（大阪）に、2020年2月発売STM32L5マイコン（Cortex-M33/110MHz）を使ったSTM主催、定員30名、4時間半のTrustZone対応STMマイコン体験セミナー（セキュリティ編）が開催されます。

STM32L5は、PSA Certifiedレベル2認証を取得済みのTrustZoneマイコンです。PSA認証は、関連投稿：ARM MCU変化の背景の2章の3：セキュリティ対応をご覧ください。STM32L5のTrustZone実現は、専用のSTM32Cube拡張パッケージ：STM32CubeL5を使っています。

セミナー概要の冒頭に、「IoTセキュリティに関する法令やガイドラインの整備が進んでいます」とあり、具体的にIoTセキュリティ機能のSTM32L5への実装と必要性が解ると思います。セミナーに参加し、エキスパートから色々な情報を仕入れたいのですが、COVIC-19の影響で出張ができるか？…、Webinarなら嬉しいのですがね😅。

評価ボード付き無料セミナーです。ご興味がある方は、参加してはいかがでしょう。

STM32G0/G4のRoot of Trust(1)まとめ

  • Root of Trust実現に、STM32Cube拡張パッケージ：X-CUBE-SBSFUが必要。Root of Trust対応中の汎用マイコンは、STM32G0/G4シリーズ。
  • 信頼性実現のハードウェア/ソフトウェア根幹部分をRoot of Trustと呼ぶ。
  • IoT機器アップデート機能義務化なら、IoTエッジ汎用MCUは、STM32G0/G4シリーズになる可能性あり。
  • STM32G0/G4シリーズのRoot of Trust実現方法、SB（セキュア・ブート）とSFU（セキュア・ファームウェア更新）は、UM2262を使い次回以降説明。

ここまでは、比較的簡単にRoot of Trust、X-CUBE-SBSFU、STM32G0/G4が説明できたと思います。ここからが、セキュリティの難解なところで、SBだけでも次回上手く説明できるか自信がありません。結果は、次回のブログ更新で判ります。

TI.comの新しい購入機能

WithHappy

米）半導体大手テキサスインスツルメンツのサイト：TI.comに追加された新しい製品購入機能を紹介します。

TIは、アナログICやDSP（Digital Signal Processor） 、本ブログ掲載の低電力動作Cortex-M4マイコンMSP432など多くの半導体デバイスや製品を開発・販売しています。ただ、競合他社と比べると、従来は個人調達に便利な通販のDigiKeyやMouserの取扱いTI製品品揃えが少ない傾向がありました。新しいTi.com購入機能は、これを改善できます。

TI.comの新しい購入機能

DigiKeyやMouserと同じように、TI.comで直接TI製品やデバイスを購入できます。違いは、TI製品のみを扱う点。もちろん価格は多少違いますが、品揃えは豊富です。下図のように、試作から生産に至るまで調達できます。

TI.comの新しい購入機能（出典：myTI newsletter）
TI.comの新しい購入機能（出典：myTI newsletter）

他社MCUベンダサイトのカートは、DigiKeyやMouserなどの外部通販へのリンクが一般的です。TIは、一律配送などのサービスも含めてTI自らが通販を行うという点が他社と異なる新しい機能です。

最大30個までという制限は設けていますが、個人購入や試作レベルの調達なら十分利用できます。通販会社にとっては脅威でしょう。TIは、手数料を通販会社に払うよりも、全製品の通販を自社で行う方法を選択したのだと思います。

MSP432デバイス品揃え豊富、低価格

本ブログ掲載の低電力動作MSP432評価ボード：MSP-EXP432P401R（ARM Cortex-M4F/48MHz、256KB/Flash、64KB/RAM、浮動小数点ユニット、DSPアクセラレーション）も、もちろんTI.comから購入できます。

さらに、評価ボードでの開発後、実機で利用するFlash/RAM容量が異なる様々なMSP432デバイスも購入できます。

評価ボード：MSP-EXP432P401Rは、CCS Cloud IDEやArduino IDEに似たEnergia IDEが使えるなど、他社MCU開発にないユニークなソフトウェア開発環境が特徴です。

CCS DesktopとCCS Cloud、Energia IDE比較（出典：TIサイト）
CCS DesktopとCCS Cloud、Energia IDE比較（出典：TIサイト）

※Energia IDEの詳細は、関連投稿：MSP432オープンプラットフォーム開発環境を参照してください。
※CCS Cloud IDEの使い方は、関連投稿：CCS Cloud IDEを参照してください。

Energia IDEは初めてソフトウェアを開発する方に、CCS Cloud IDEはいつでも何処でも場所を選ばずにブサウザだけでソフトウェアを開発したい方に向いています。

また、パンデミック表明となったCOVID-19収束宣言がWHOからでるまでは当分の間、在宅勤務やMCU開発の自己研鑽時間、または数人でのテレワークMCU開発などの機会も増えるでしょう。これらにもCCS Cloud IDEは、活用できると思います。

評価ボードを使ったプロトタイプ開発は、最終的に実機で使うMCUデバイスの選択が的確にできます。つまり、実機でよりFlash/RAM容量が必要になるか、それともより低価格デバイスで製品や製品改良などにも十分賄えるかなど、製品実装MCUの選択が、プロトタイプ結果に基づいて具体的にできる訳です。

新しいTI.com購入機能は、MSP432デバイスの品揃えが豊富です。プロトタイプ開発の選択結果を反映した実機MCUデバイス調達が、直接Ti.comから低価格で可能です。通販DigiKeyやMouserの代替になりえます。

STM32CubeIDE更新、文字化け解決

WithHappy

STマイクロエレクトロニクスの統合開発環境：STM32CubeIDEがv1.3.0に更新されました（2月28日、更新自動通知メールにて把握）。デフォルト設定のWindows版STM32CubeIDEは、エディタで追記した日本語コメントに文字化けが発生します。これは、昨年投稿したSTM32CubeIDE v1.1.0やv1.2.0と同じで、最新版でも解決されません。

そこで、対策にデフォルト設定を2か所変え、日本語文字化け解決を確認しました。また、Linux Debian版STM32CubeIDEとSW4STM32は、最新環境でもデフォルトで文字化けが無いことも確認しました。

Windows版STM32CubeIDE日本語文字化け発生箇所

2019年4月新登場STマイクロエレクトロニクス統合開発環境：STM32CubeIDE-Winの日本語コメント文字化けは、

  • SW4STM32プロジェクトのSTM32CubeIDEインポート後
  • プラグイン版STM32CubeMXでのコード再生成時

に、エディタでソースコードに追記した日本語コメントに文字化けが発生します。
※Windows版は、Windows 10 Pro 1909の話です。

STM32CubeIDE-Win v1.3.0日本語文字化け対策

数回のメジャー更新を経て登場後約1年のv1.3.0でも、この文字化けはデフォルトのままでは未解決です。そこで、ネット検索したところ、コチラの対策を得ました。

STM32CubeIDEのデフォルト設定を、2か所変更します。

STM32CubeIDEの日本語文字化け2箇所の対策
STM32CubeIDEの日本語文字化け2箇所の対策
  1. フォント設定を、デフォルトConsolasからメイリオなどの日本語文字セットへ変更（ワークスペース毎）
  2. Text file encoding設定を、デフォルトUTF-8からShift-JISへ変更（プロジェクト毎）

※1は、STM32CubeIDEのWindowタブ＞Preferenceダイアログ検索窓へ”font”入力＞Colors and Font選択>C/C++選択＞Editor選択＞C/C++ Editor Text Fontを選択し、Edit…クリックで左図表示
※2は、プロジェクト選択＞Propertiesクリックで右図表示

右図のようにプルダウンメニューにShift-JIS選択肢が無い時は、Shift-JISと直接入力し、Apply and Closeをクリックします。

1はワークスペース毎、2はプロジェクト毎に設定が必要です。

これら2か所の変更で、SW4STM32プロジェクトインポート後とSTM32CubeMXコード再生成時、どちらもエディタ追記日本語コメント文字化けは解決できました。

以上で、従来のSW4STM32から新しいSTM32CubeIDEへ、日本語コメント文字化け無しにSTM32MCU開発環境を移行できます。

STM32CubeIDE特徴

STM32CubeIDEは、コード生成ツール：STM32CubeMX、開発デバイスファームウェア（弊社ならFW_F0/F1/G0/G4）全てを1パッケージ化し、全て最新版のみを提供する特徴があります。投稿時のSTM32CubeIDE v1.3.0が下図です。

簡単に言うと、開発ソフトウェアが全てSTM32CubeIDEへプラグインされた形式です。

STM32CubeIDE全体構成
STM32CubeIDE全体構成

STM32CubeIDE起動時、またはCheck for Updatesにより、IDEを含めた各プラグイン更新を確認し、常に最新開発環境となります（悪名高いWindows Updateに似ているような…😅）。

これは、プラグイン版STM32CubeMX v5.6.0に、旧ファームウェア選択機能が無いことからも解ります。

最新ファームウェアを使うSTM32CubeMXプラグイン版（左）とファームウェア選択可能なスタンドアロン版（右）
最新ファームウェアを使うSTM32CubeMXプラグイン版（左）とファームウェア選択可能なスタンドアロン版（右）

例えば、顧客先で稼働中ソフトウェアへ変更を加えるなど旧ファームウェアのまま開発希望の場合は、スタンドアロン版STM32CubeMX v5.6.0を使えば、右図のように旧ファームウェア選択も可能です（関連投稿：v1.2.0の開発環境更新リスク、ファームウェア更新リスク回避策の章に背景説明があります）。

純正STM32Cubeツール

STM32MCUソフトウェア開発に使えるIDEは、下図中央のようにIAR：Embedded Workbench、ARM：Keil、AC6：SW4STM32、etc.などサードパーティ製も数多くあります。しかし、純正STM32CubeツールのSTM32CubeIDEが、STマイクロエレクトロニクス一押しの統合開発環境だと思います。

STM32 Software Development Tools（出典：STMサイトに加筆）
STM32 Software Development Tools（出典：STMサイトに加筆）

もちろん、従来からあるSW4STM32もまだ現役（Active）です。ST Communityには、今も多くのSW4STM32事例があります。

そこで、Windows版STM32CubeIDE以外の、SW4STM32とLinux Debian版STM32CubeIDEの現状を調べました。

STM32CubeIDE-DEB

64ビット版のみですが、STM32CubeIDE v1.3.0のLinux Debian版インストーラが、Windows版STM32CubeIDEと同じ純正ソフトウェア入手サイトにあります。

STM32CubeIDE Debian Linux Installer
STM32CubeIDE Debian Linux Installer

筆者は、DebianよりもMintが好きなので、STM32CubeIDE-DEBをLinux Mint 19.3 MATE (64-bit)へインストールし、デフォルト設定でも日本語文字化け無し、評価ボードで正常動作することを確認しました。

STM32CubeIDE-DEBは、デフォルトで日本語文字化けなしで動作
STM32CubeIDE-DEBは、デフォルトで日本語文字化けなしで動作

Mintへのインストール方法が下記です。途中で長いライセンス同意を求められます。

chmod +x st-stm32cubeide_1.3.0….sh
sudo ./st-stm32cubeide_1.3.0….sh、または、sudo bash st-stm32cubeide_1.3.0….sh
※NXP：MCUXpresso IDE v11.1.0のInstallation Guide, Appendix A – Linux Installationを参考にしました。

STM32CubeMXやデバイスファームウェアは、Windows版と同様全てプラグインです。Linux版SW4STM32既成プロジェクトが手元に無いのでインポートは試せませんが、問題無いと思います。

リリースノート：RN0114のLinux動作テスト環境にMintは有りません。自己責任でNXP：MCUXpresso IDE v11.1.0 Linux版ともども、Mint上でSTM32CubeIDE-DEBが正常動作したことをお知らせします。

SW4STM32とスタンドアロン版STM32CubeMX v5.6.0

SW4STM32とスタンドアロン版STM32CubeMX v5.6.0で開発環境を構築する場合は、デフォルトでも日本語文字化けは発生しません。従来環境に慣れた方は、SW4STM32もそのまま使えると思います。

お知らせ：STM32FxテンプレートとSTM32G0xテンプレート改版予定

STM32CubeIDE-Win v1.3.0に加えた本稿2か所変更が、次版以降のSTM32CubeIDEにも必要かは判りません。ただ、いまさらShift-JIS設定？という気はします。WindowsでShift-JIS継続利用の弊害は、コチラの記事がよく解ります。

しかし、懸案であった日本語コメント文字化けが解決、新登場後1年経過しv1.3.0となったこのタイミングで、従来SW4STM32から新しいSTM32CubeIDEへ開発環境を乗換えるのもチャンスだと思います。SW4STM32更新頻度が減ったことや、他の純正STM32Cubeツールとの相性良さも期待できるからです。

そこで、SW4STM32で開発・販売したSTM32FxテンプレートとSTM32G0xテンプレートを、STM32CubeIDE-Winを使って再開発に着手し、新にVersion 2として販売する予定です。進行状況などは、本ブログでお知らせします。

MCUベンダAPI生成ツール比較

WithHappy

お知らせ

弊社サイト：マイコンRTOS習得を2020年版へ改版しました。前稿までのFreeRTOSサンプルコード(1)～(5)結果を、2017年版へ反映させた結果です。是非、ご覧ください。

MCUベンダAPI生成ツール一覧

FreeRTOSサンプルコード(1)で予告したベンダ毎に異なるAPI生成ツールやその違い、サンプルコードとの関係を説明します。本ブロブ掲載MCUベンダ5社のAPI生成ツール一覧が下表です。

MCUベンダトップシェア5社のMCU API生成ツール一覧
ベンダ API生成ツール ブログ掲載MCU API生成方法
Runesas CS+ RL78/G1x 個別ハードウェア設定
NXP SDK LPC111x/LPC8xx/Kinetis E/LPC5411x MCU設定
STM STM32CubeMX STM32Fx/STM32Gx 個別ハードウェア設定
Cypress PSoC Creator PSoC4/PSoC4 BLE/PSoC4000/PSoC6 個別ハードウェア設定
TI CCS STM432 MCU設定

IDEとは別のAPI生成ツール専用名があり、ツール単独で更新するのが、NXP）SDK、STM）STM32CubeMXです。Runesas）CS+、Cypress）PSoC Creator、TI）CCSは、IDEにAPI生成ツールが組込まれていますので、IDE名称をAPI生成ツール欄に記載しています。
※CS+のAPI生成ツールは、単独でコード生成と呼ぶこともあります。

さて、これらAPI生成ツールには、2種類のAPI生成方法があります。

  • MCU設定：利用MCUを設定し、内蔵ハードウェアAPIを一括生成…NXP）SDK、TI）CCS
  • 個別ハードウェア設定：利用内蔵ハードウェアを個別設定し、APIを生成…Runesas）CS+、STM）STM32CubeMX、Cypress）PSoC Creator

MCU設定タイプのAPI生成ツールは、全内蔵ハードウェアAPIを、ユーザ利用の有無に係わらず一括生成するため、規模が大きく、SDK（Software Development Kit）などパッケージ化してIDEへ提供されます。但し、コンパイル時に利用ハードウェアのみをリンクしてMCUへダウンロードするので、少Flashサイズでも問題はありません。

MCU設定タイプの特徴は、例えば、UART速度設定などのハードウェア動作パラメタは、APIパラメタとしてMCUソースコードにユーザが記述します。

MCU設定タイプのNXP）SDKのUART API例
MCU設定タイプのNXP）SDKのUART API例

一方、個別ハードウェア設定タイプは、UARTなどのハードウェア動作パラメタは、API生成前にGUI（Graphical User Interface）で設定し、設定後にAPIを生成します。このためユーザが、MCUソースコードのAPIに動作パラメタを追記することはありません。

個別ハードウェア設定タイプのSTM32CubeMXのUART API例
個別ハードウェア設定タイプのSTM32CubeMXのUART API例

API生成ツール比較

MCU設定タイプのAPI生成ツールは、使い方がMCU設定のみで簡単です。また、ハードウェア動作パラメタがMCUソースコード内にあるため、動作変更や修正もIDE上で行えますが、人手によるバグ混入の可能性も高まります。

個別ハードウェアタイプAPI生成ツールは、MCUソースコード内のAPI記述が簡素です。生成されたAPI内部に動作パラメタが含まれているからです。但し、ハードウェア動作変更には、IDEから一旦API生成ツールに戻り、APIの再生成が必要です。この場合でも、MCUソースコードは不変ですので、GUI設定にミスが無ければバグ混入は少ないでしょう。

どちらにも、一長一短があります。敢えて分類すると、ソフトウェア開発者向きが、MCU設定タイプ、ハードウェア開発者向きでTP：Test Program応用も容易なのが、個別ハードウェア設定タイプです。

個別ハードウェア設定タイプであっても、Cypress）PSoC Creatorなどは、通常パラメタはBasicタブ、詳細パラメタはAdvanceタブで分け、誰でも設定を容易にしたツールもあります。

MCUソフトウェアは、C言語によるMCU API制御です。MCU API生成ツールの使い勝手が、ソフトウェア生産性の半分程度を占めていると個人的には思います。

サンプルコード/サンプルソフトウェア

各社のサンプルコード/サンプルソフトウェアは、上記API生成ツールのMCUソースコード出力例です。

従って、サンプルコードには、出力例と明示的に判るよう多くのコメントが付加されています。初めてサンプルコードを見る開発者は、注意深くコメントを読んで、そのMCU開発の全体像を理解することが重要です。

全体像が理解済みであれば、より効率的な開発手法、例えば、（推薦はしませんが）個別ハードウェア設定タイプであっても、IDEからAPI生成ツールに戻らずに、直接MCUソースコードでハードウェア動作パラメタを変更するなどのトリッキーな使い方も可能です。

MCU開発とCOVID-19

新型コロナウイルス：COVID-19が世界的に流行しつつあり、工場閉鎖や物流への影響も出始めています。現状は治療薬が無いので、「個人の免疫力と体力」が生死の決め手です。

同時にMCU供給不足/停止など、開発への波及も懸念されます。これに対し「個人で第2のMCU開発力」を持つことが解決策を与えます。

本稿は、MCUベンダトップシェア5社のMCU API生成ツールを比較しました。MCUシェア、評価ボード価格や入手性、個人の好みなど、是非ご自分にあった比較項目で、現在利用中のMCUに代わる第2のMCU開発力を持つことをお勧めします。

第2のMCU開発力は、現行と視点が変わり利用中MCUスキルも同時に磨くことができ、様々な開発リスクに耐力（体力）が付きます。短期で効果的な第2のMCU開発力の取得に、弊社マイコンテンプレートがお役に立てると思います。

FreeRTOSサンプルコード(5)

WithHappy

MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコード調査最終回の本稿は、タスク数=3のプロジェクト、freertos_eventとfreertos_queue、freertos_genericを説明します。

FreeRTOSサンプルコード：タスク数＝3

FreeRTOSプロジェクト：タスク数＝3
Project Tasks heap_ Additional FreeRTOS APIs Additional Comments
freertos_event 3 4 xEventGroupCreate xEventGroupSetBits
xEventGroupWaitBits

タスクや割込みなどのイベントをグループ化し、他タスク制御。

セマフォと似ているがイベントの論理演算可能。
freertos_queue 3 4 xQueueCreate
xQueueSend
xQueueReceive
vQueueAddToRegistry		 タスク間メッセージ通信デモ。キューは、順序維持FIFO構造。
freertos_generic 3 4

キュー、ソフトウェアタイマ、セマフォの組合せデモ。

FreeRTOS.orgサンプルコードに基づき作成。

※freertos_genericのAdditional FreeRTOS APIは、これまでのサンプルAPI組合せのため追加分なし。

FreeRTOS Project：freertos_event

イベントによるタスク制御は、セマフォに似ています。複数のセマフォを１つにまとめたイベントグループを作成（xEventGroupCreate）し、このグループ化した個々のイベント間で論理演算ができることが特徴です。

xEventGroupWaitBitsの例（出典：freertos_event.c）
xEventGroupWaitBitsの例（出典：freertos_event.c）

イベント間の論理演算ができるので、シングルイベントのセマフォよりも柔軟なタスク制御ができます。

FreeRTOS Project：freertos_queue

これまで説明してきたプロジェクトのタスク間制御には、ミューテックスやセマフォ、上記イベントなど全てビット単位のシグナルを使ってきました。最後に説明するプロジェクトfreertos_queueは、タスク間でメッセージを送受信します。

メッセージは、キュー＝有限長FIFO（First In First Out）経由で送受信されますので、メッセージの順番は維持されますが、キューが溢れないような使い方が必要です。深すぎるキューはメモリ効率が悪く、浅いキューではメッセージが溢れます。深さ見積もりなどのためにプロトタイプ開発が必要でしょう。

例えば、複数センサ出力をMCUでまとめ、定期的にクラウドへ送信するようなFreeRTOSアプリケーションソフトの素になりそうなプロジェクトです。クラウドサービスにAmazon Web Service（AWS）を使う時には、専用のネットワーク接続ライブラリもFreeRTOSで提供されますので、このアプリケーションとの親和性も良いと思います。

FreeRTOS Project：freertos_generic

MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコード11個の説明の最後が、このfreertos_genericプロジェクトです。これまで説明してきた10個のサンプルコードを総合的にまとめたプロジェクトで、出典はhttp://www.freertos.org/Hardware-independent-RTOS-example.htmlです。

筆者の下手な説明よりも、実際にソースコードを見て頂くと丁寧なコメント付きです。このソースコードを読んでFreeRTOSの仕組みがすんなりと理解できれば、ベアメタルからFreeRTOSソフトウェア開発へのステップアップ初期段階は完了と言えるでしょう。つまり、10個サンプルコード習得度の自己評価に使えます。

FreeRTOSサンプルコード：タスク数＝3の調査結果

  • 複数セマフォを1つにまとめたイベントグループタスク制御は、イベント間の論理演算が可能
  • キュー利用のタスク間メッセージ通信は、深さ設定にプロトタイプ開発が有効
  • freertos_genericは、SDK付属サンプルコード10個の習得度評価に使える
  • メモリ使用法は、heap_4を利用

まとめ：MCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコード調査

5回に渡ってMCUXpresso54114評価ボードSDK付属FreeRTOSサンプルコードをタスク数が少ない順に調査しました。基本的なFreeRTOS機能は、解説済み11個のサンプルプロジェクトでカバーされています。

各プロジェクトの追加分FreeRTOS APIのみを表で示し、しかも弊社サイトマイコンRTOS習得2017の内容は既にご存じという前提で説明したので、解りにくい部分もあったかもしれません。
要するに、ベアメタル開発にFreeRTOS APIを追加すればRTOSソフトウェア開発ができることを強調したかったからです。

FreeRTOSのマルチタスク並列動作、タスク間同期/競合回避手段、これらのFreeRTOS APIのみを理解すれば、ベアメタル開発経験がそのまま活かせます。

今回の1～5回の解説は、マイコンRTOS習得2020年版として2017年版サイトへ改版する予定です。改版後にご覧になれば解りにくさが改善されるかもしれません。

調査目的は、開発予定のベアメタルCortex-M4テンプレートへのRTOS機能応用でした。現時点で、応用内容は不明確です。しばらく時間を頂いて明確化します。

ただ、マルチタスクFreeRTOSと異なり、ベアメタルテンプレートは、全て自分の制御下タスクです。タスク間同期やメッセージ送受信も、特別な工夫なく簡単に実現できます。

FreeRTOS利用MCUのAWS接続（出典：Amazon FreeRTOSの開始方法に加筆）
FreeRTOS利用MCUのAWS接続（出典：Amazon FreeRTOSの開始方法に加筆）

上図のように、AWSへの接続やIoTセキュリティ機能追加など今後必須になるIoT MCUの機能実装は、専用ライブラリベース、特にFreeRTOSライブラリで提供される可能性が高いと予想できます。

これらライブラリは、ベアメタル開発でも利用可能ですが、FreeRTOSソフトウェアの方が親和性も高く開発が容易なことも事実です。

しかも、これら専用ライブラリで実行される処理内容は、本来我々開発者が変更を加えるべきでない定型処理です（もちろんプロパティなどのパラメタは、開発者依存です）。

いずれにしても、MCUXpresso54114を使ったFreeRTOSソフトウェア開発環境と基本機能は習得できたので、ベアメタルCortex-M4テンプレート開発へ活かしていきます。