MCU:マイコン,STM32マイコンアプリケーション,プロトタイプ,STM32MCU,STM32G0x,LL API,専用テンプレート,Low-Layer,STM32CubeIDE,開発,STM32G071RB,HAL API

LL API利用のSTM32G0x専用テンプレートを、2019年6月1日発売開始します。

STマイクロエレクトロニクス(以下STM)2018年12月新発売のSTM32G0xデバイスは、高性能・低電力なCortex-M0+と70nm新プロセス動作速度向上により、STM32G0x単独で従来汎用STM32F0/F1をカバーする性能と超低電力動作、低価格が特徴です。

このSTM32G0x専用LL (Low-Layer) API利用テンプレートが、今回1,000円(税込)で発売するSTM32G0x専用テンプレートです。

※従来から販売中のSTM32Fxテンプレートは、HAL API利用の汎用テンプレートです。

STM32G4シリーズ追加、全5種となったSTM32 Mainstream MCUs

2019年5月28日、超高性能汎用STM32G4xが発表されました。これでSTM汎用MCUは全5種となりました。一覧が下図です。

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)

STM32G0x専用テンプレートは、軽量・高速・エキスパート向きLL APIを利用します。STM32G0x性能をフル発揮するアプリケーションのプロトタイプ開発に最適です。

※STM32G0xや専用テンプレートの本ブログ関連投稿は、下欄タグ🏷:STM32G0x、または、専用テンプレートをクリックしてください。

STM32G0x専用テンプレート適用例2種、API比較評価用2種

LL APIとHAL APIの比較評価のため、汎用テンプレートをSTM32G0xへポーティングしたHAL APIテンプレートも添付します。同一アプリケーションでのLLとHALのリソース使用量、ユーザ記述量、API可読性などを具体的に評価・分析できます。全て評価ボード:Nucleo-G071RB上で動作確認済みです。

STM32G0x専用テンプレート適用例
STM32G0x専用テンプレート適用例

SimpleTemplateは、最も簡単なテンプレート適用例で、基本的なSTM32G071RB周辺回路とテンプレート動作が理解できます。AdcTemplateは、全STM32G0xシリーズ共通周辺回路:2.5Msps 12ビットADC制御をSimpleTemplateに追加し、全てのSTM32G0xプロトタイプ開発の起点となるテンプレートです。

SimpleTemplate、AdcTemplateともにLL APIを利用したSTM32G0x専用テンプレートと、汎用テンプレートをSTM32G0xへポーティングしたHAL APIテンプレートを提供します。

STM32G0x専用テンプレート適用例は、評価ボードのGPIOやLED、LPUART通信など必須の複数STM公式サンプルプロジェクトが実装済みで、すぐにプロトタイプ開発着手ができるLL API利用アプリケーションプロジェクトです。

※HAL版はAPI比較評価用です。2019年5月末時点のコード生成ツールSTM32CubeMX(v5.2.1)とSTM32G0 FW(v1.2.0)は、LL APIでのみSTM32G0x性能をフルに引き出すことができます。

※STM32MCU間でアプリケーション移植・流用性を最大限に保証するHAL APIを利用したソフトウェア開発を希望される方は、STM32Fxテンプレートの購入をご検討ください。

付属説明資料でLL APIアプリケーション開発着手時の障害解消

STM32G0x専用テンプレート付属説明資料のもくじを示します。

STM32G0x専用テンプレート付属説明資料もくじ
STM32G0x専用テンプレート付属説明資料もくじ

説明資料P1~P3は、STM32G0x専用テンプレートサイトから無料ダウンロード可能です。全14ページの詳細な説明により、LL APIが理解でき、STM32G0xデバイス専用アプリケーションのプロトタイプ開発着手時の様々な障害を取り除き、スピード開発するのに専用テンプレートは最適です。

STM32G0x専用テンプレートは、コチラの手順でご購入可能です。よろしくお願いいたします。

*  *  *

STM32CubeMX v5.2.1改版時の注意点

2019年5月24日、STM32CubeMXがv5.2.1へ改版されました。インストール時の注意点を示します。

STM32CubeMX v5.2.1改版
STM32CubeMX v5.2.1改版

STM32CubeMX v5.2.1ダウンロードは、Install Nowクリックのみです。但しダウンロード後、一旦STM32CubeMXを終了し、再起動時は、下記のように管理者と してインストールを実行する必要がありますので注意してください。

STM32CubeMX v5.2.1.Update
STM32CubeMX v5.2.1.Update。インストールは管理者として実行する必要がある。

MCU:マイコン,STM32マイコンARMマイコン,Cortex-M0+,MCU,SW4STM32,API,STM32F0x,ADC,STM32G071,STM32G0x,LL,専用テンプレート,Low-Layer

STM32G0xのラインナップは、Value/Access/Access&Encryptionの3製品です。製品により内蔵周辺回路が異なりますが全製品共通回路が、2.5MSPS 12bit ADCです。本稿は、このSTM32G0xのADC利用法を解説します。

STM32G0xのADC資料一覧

時短に役立つ資料を表1にリストアップしました。

表1 STM32G0xのADC資料一覧(2019年4月現在)
資料名 概要
STM32G0 – ADC STM32G0のADCトレーニング資料。全20ページの内容は判り易く良書。
AN5110 STM32CubeMXを使い生成可能なSTM32G0x公式サンプルプロジェクト一覧表。
HAL API 4個、LL API 8個、HALとLL混在1個のADC公式STM32CubeMXプロジェクト掲載アプリケーションノート。
AN2834 全STM32MCUのADCを精度よく使う方法アプリケーションノート。全49ページ。

3資料と数は少ないですが、ADC内容は盛り沢山です。

STM32G0xのADC公式サンプルプロジェクトAN5110とオンライントレーニング資料を中心に、AN2834も参照するアプローチで解説します。

STM32G0とSTM32F0のADC差

STM32G0は最新IoT Edge MCU、STM32F0は普通の汎用MCUで、どちらもMainstream(≒汎用)MCUですが内蔵12bit ADCは異なります。トレーニング資料P18に特徴の比較があります。

STM32G0とSTM32F0のADC差
STM32G0とSTM32F0のADC差分(※説明のため着色しています。出典:ADCオンライントレーニング資料)

先ず、Conversion:ADC変換時間が0.4usと高速になった点。STM32G0xはMax. 64MHz動作(F0は48MHz)ですが2倍以上高速です。次に、Analog watchdog対応数が増え、バッテリー動作に備え低圧側に動作電圧が広がっています。ハードウェアオーバーサンプリングと高度なシーケンサーが新しい機能です。

勿論、普通のSTM32F0と同じADC制御もできますが、これら新機能を使いこなし、コアMCU負担を減らすように制御すると上手い使い方と言えるでしょう。

トレーニング資料は英文ですが、ポイントを抑えた非常に良くできた資料です。筆者の下手な解説より資料を読んで頂くと、STM32G0xのADCの使い方が判ると思います。

実践的ADCの使い方習得

トレーニング資料が一番効果的ですが、本稿では、開発中のSTM32G0x専用テンプレート動作確認評価ボードNucleo-G071RBで動作するAN5110のExamples_LL掲載サンプルプロジェクト(MXアイコン付きの下記8個)を使って、実践的にLL APIによるADCの使い方を習得します。

なぜLL APIを使うのかは、STM32G0x専用テンプレート開発全体像俯瞰、また、全般的なLL API利用法はSTM32CubeMXのLow-Layer API利用法 (1)~(3)を参照してください。

LL APIを使ったADCプロジェクト一覧(出典:AN5110)
LL APIを使ったADCプロジェクト一覧(出典:AN5110)

Descriptionを読むと、大別して4種類のサンプルプロジェクトがあることが解ります。AN5110は、Examples_LLフォルダを名前順に表示したもので、MXアイコン付き8個を制御別に解り易く並び変えたものが表2です。

表2 MXアイコン付き8プロジェクトを制御別に並び換える
制御 基本プロジェクト名(_Init省略) 応用プロジェクト名(_Init省略)
1 ADC SingleConversion TriggerSW

ADC SingleConversion TriggerSW DMA

ADC SingleConversion TriggerSW IT

ADC SingleConversion TriggerTimer DMA

2 ADC ContinuousConversion TriggerSW ADC ContinuousConversion TriggerSW LowPower
3 ADC Oversampling なし
4 ADC  AnalogWatchdog なし

4種類を整理すると、最も基本のADCプロジェクトが1です。

1のSingleConversion_TriggerSoftwareは、ソフトウェアトリガでADCを開始し、ポーリングでデータ取得、データ転送にDMA転送、割込みなどの応用例があります。タイマをトリガにDMA転送の発展例もあります。ADC処理回数は1回です。

2のContinuousConversionは、1のADC処理回数の連続形で、LowPowerでの応用例があります。
※1と2のConversion Mode説明が、トレーニング資料P11にあります。

3のOversamplingは、新機能のサンプルプロジェクトです。
※Hardware Oversampling説明が、トレーニング資料P12にあります。

4のAnalogWatchdogも、新機能の3個AnalogWatchdogを使ったサンプルプロジェクトです。
※AnalogWatchdog説明が、トレーニング資料P13にあります。

いかがですか? ADCサンプルプロジェクトだけでもおなか一杯で、しかも、これでもADCの豊富な機能の一部抜粋です。さらに、省電力動作や、実際に接続するアナログセンサ出力への対応、加えてAN2834記載の変換精度向上なども考慮すると、ADCだけでも上手く使うのはかなりのスキルや経験が必要なのが分ります。

こういう時は、最も基本のADC_SingleConversion_TriggerSWを先ず理解し、プライオリティに応じて順次ステップアップするのが常套手段です。プライオリティ無しの手当たり次第の理解は、消化不良を起こします😂。
※なおSTM32G0x専用テンプレートは、このADC_SingleConversion_TriggerSWを実装予定です。

ADC_SingleConversion_TriggerSW_InitのSW4STM32インポート

※統合開発環境SW4STM32とコード生成ツールSTM32CubeMXは、Windowsパソコンへインストール済みとします。インストール方法は、関連投稿を参照してください。

先ず、ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initを使って、STM32G0xのADC使い方を説明します。

サンプルプロジェクト:ADC_SingleConversion_TriggerSW_InitをIDE:SW4STM32へインポートする方法は色々あります。簡単な方法が下記です。

1.STM32CubeMXをインストールしたPCの          、
STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_G0_V1.1.0\Projects\NUCLEO-G071RB\Examples_LL\ADC\ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initフォルダを開き、ADC_SingleConversion_TriggerSW_Init.iocをクリックすると、STM32CubeMXが起動します。

2.起動したSTM32CubeMXのProject Manager>Projectで、Toolchain/IDEをSW4STM32へ変えます。Advanced SettingsタブでADCや周辺回路のLL利用を確認しておきます。

3.GENERATE CODEをクリックし、表示されるダイアログでOpen Projectをクリックすると、SW4STM32が起動します。ワークスペースを入力後、下記Successfully imported the project…が表示されればインポート完了です。

SW2STM32インポート成功時ダイアログ
SW2STM32インポート成功時ダイアログ

4.SW4STM32でreadme.txtを開くとインポートしたプロジェクト内容が解ります。評価ボード:Nucleo-G071RBのPA.04、またはArduinoコネクタCN8 A2接続の、0から3.3Vまでのアナログ入力電圧を、ソフトウェアトリガでADCスタートし、ADC完了ポーリングでデータ変換完了を確認するのがこのプロジェクトです。
評価ボード単独でもアナログ入力電圧は不定ですが、動作可能です。

サンプルプロジェクトmain.cソースコードの読み方

初めてmain.cを見た方は、ソースコード行数が多いのでビックリするかもしれません。しかし、以下のSTM32CubeMX(以下MX)生成ソースコードの構造を押さえて読めば簡単です。

  • 自動生成ソースコードは、ユーザコード/コメントを追記する部分と、MX生成部分の2つからなる
  • ユーザコード/コメント部分は、再度MXで新たにコード生成しても、上書きされそのまま残る
  • コーザコード/コメント部分は、/* USER CODE BEGIN… */ ~ /* USER CODE END… */で囲まれている

従って、サンプルプロジェクトのユーザコード/コメント部分は、「ユーザの代わりにSTMが作成したコードと明示的に説明を加えた箇所」です。注意して読みましょう。それ以外のMX生成部分は、コメントを眺める程度で十分です。

サンプルプロジェクトmain.c解説

ソースコードが読めると、サンプルプロジェクト内の重要関数も解ります。

ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initの場合は、L121のConversionStartPoll_ADC_GrpRegular(void)とL120のActivate_ADC(void)が重要関数です。

これら以外のLED点滅関数(L122~124)とMX生成関数(L116~118)は、他のプロジェクトでも使える、いわばLL API開発時の汎用関数です。

ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initのmain.c
ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initのmain.c解説。重要関数と汎用関数に分けて読む。

L121へカーソルを移動し、F3を押すとConversionStartPoll_ADC_GrpRegular(void)の定義場所へ簡単に移動できます。

ConversionStartPoll_ADC_GrpRegular()
重要関数 ConversionStartPoll_ADC_GrpRegular()本体

ConversionStartPoll_ADC_GrpRegular(void)は、本来ユーザが作成する関数を、STMが代わりに作成した信頼性が高い関数です。ユーザが利用しない手はありません。ライセンス上も問題なく使えます。

しかも、STMが明示的に付けたコメントがありますので、自分の開発ソースコードへ利用・活用できるようにコメントを読んで内容を理解しておきましょう。内容理解には、readme.txtやトレーニング資料も役立ちます。

同様に、もう1つの重要関数:Activate_ADC(void)も利用・活用できるように理解しましょう。

以上のように重要関数を理解すると、サンプルプロジェクト:ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initが示した処理内容とその中から利用できる関数を、自分が開発するプロジェクトの代替関数(≒一種の部品)として使えるようになります。

公式サンプルプロジェクトは、この「高信頼部品の宝庫」です。部品を利用すれば、開発速度が上がります。
また、公式サンプルプロジェクトは、「周辺回路利用時の作法」も明示STMコメントが示しています。

ユーザは、どこに、何を、追記すべきか

前章は、ADC_SingleConversion_TriggerSW_Initを使って、サンプルプロジェクトソースコード:main.cの理解方法を示しました。

一般的な周辺回路のユーザ追記箇所は、前章のように主としてmain.cの無限ループです。周辺回路の初期設定(前章で言えばMX_ADC1_Init(void)やMX_GPIO_Init(void))は、STM32CubeMXが担うからです。

サンプルプロジェクトには、周辺回路に割込みやDMAを利用した例もあります。

この場合は、STM32CubeMXのLow-Layer API利用法 (3)で示した割込みNVIC利用時のユーザ追記箇所と、本稿で示した周辺回路ユーザ追記箇所の2つに分けてソースコードを理解します。

STM32CubeMXが自動生成したソースコードの、「どこに、何を、ユーザが追記すべきか」は、本章で示した方法でサンプルプロジェクトを理解すれば、自然に解るようになります。
逆に、「どこに、何を、追記すべきか」かが解らないなら、まだサンプルプロジェクト理解が足りないと言えます。

公式サンプルプロジェクトのソースコードを作成するのは、STM32CubeMXと「ユーザ代替のSTMプロフェッショナル」です。両者の役割、作成部分やソースコード構造を理解するのがユーザ開発の第一歩です。

ここでは、表2の中で最も基本のADC_SingleConversion_TriggerSWサンプルプロジェクトを使って、STM32G0xのADC利用法を解説しました。

ADCサンプルプロジェクトは他にも多数あります。自分の開発プライオリティに応じて、他プロジェクトも同様に理解し、ステップアップすれば良いでしょう。

STM32G0x専用テンプレートの目的

MCUソフトウェア開発は、0から着手するのではなく、コード生成ツール:STM32CubeMX活用や前章で示した公式サンプルプロジェクトの部品利用・活用で、効率的に早く開発する、いわゆるプロトタイプ開発が主流です。また、プロトタイプ開発をしないと、競合他社とのビジネスには不利です。

プロトタイプ開発は、開発スピードが要求されます。何がしかの動作確認済みテンプレート(ひな形)と評価ボード、詳しい説明資料があれば、開発着手時のつまずきや手間が省け、より検討すべき項目に時間が割けます。
このテンプレートが、弊社汎用マイコンテンプレートです。

本稿のSTM32G0x専用テンプレートは、新しいEdge MCU「STM32G0xシリーズ専用」テンプレートで、STM32MCUで汎用性がある上記テンプレートとは異なりますが、目的や役割は汎用と同じです。

関連投稿:STM32G0x専用Edge MCUテンプレート開発

STM32G0x専用テンプレートには、本稿で示したADC重要関数や、USB経由のADC変換データパソコン出力、パソコンからの評価ボードLED点滅制御など、STM32G0x開発着手時に最低限必要な機能や部品をあらかじめテンプレートに実装済みです。

STM32G0x専用テンプレートをサンプルプロジェクトとの差分で説明すると、複数サンプルプロジェクトが実装済みで、プロトタイプ開発着手のレベルにより近いプロジェクト、これがテンプレートとも言えます。また、各種サンプルプロジェクト追加や削除が簡単なのも特徴です。

テンプレートのソースコードには、日本語コメントを豊富に付加し、初心・中級開発者が理解できるよう詳細な解説資料付きで提供します。

STM32G0x専用テンプレートを利用すると、STM32G0xプロトタイプ開発を即座に始められます。

STM32G0x専用テンプレートは、近日中に発売予定です。

MCU:マイコン,STM32マイコンSTM32CubeMX,HAL,API,STM32F0x,STM32MCU,STM32G0x,専用テンプレート,Low-Layer,利用法,NVIC,トレードオフ,STM32F1

STM32G0x専用テンプレートで使うSTM32CubeMXのLL API利用法第3回(最終回)は、STM32CubeMXのLL API利用設定、NVIC利用時のユーザ追記箇所を示し、最後にLow-Layer API利用法第1回から本稿まで全体をまとめます。
LL API利用法第1回第2回は、リンク先参照。

LL API利用設定

STM32CubeMXでHAL API利用時と異なるのは、Project Manager>Advanced Settingsの赤囲みの部分のみです。デフォルトは全てHALです。これを、HALからLLへ周辺回路毎に変更します。

LL API利用時の設定箇所
LL API利用時の設定箇所。デフォルトはHALなので全てLLへの変更必要。

第2回で説明したように、LLとHALの混在利用は避けた方が無難です。各周辺回路で両者の選択ができますが、HALかLLの二者択一をお勧めします。また、周辺回路追加・変更時は、デフォルトHALです。LL APIアプリケーション開発時は、注意してください。

STM32CubeMX便利機能に各種設定値のPDF出力:File > Generate Reportがありますが、v5.1.0ではLL/HAL設定値は未出力です。

LL API利用の割込み:NVIC利用時のソースコードユーザ追記箇所

LL APIの割込み:NVIC利用時のユーザ追記箇所は、HAL API利用時に比べ多いです。
※HAL API割込み処理のユーザ追記箇所は、関連投稿:STM32CubeMX生成ファイルのユーザ処理追記箇所を参照してください。

第1回で示したAN5110で説明します。Examples_LLサンプルプロジェクト、EXIT_ToggleLedOnIT_Init.iocのNVIC設定が下図です。このプロジェクトは、評価ボードのUserButtonを押すと割込みが発生しLED4がトグル点滅します。NVICのユーザ追記箇所が赤囲みです。

EXIT_ToggleLedOnIT_Init.iocのユーザNVIC設定箇所
EXIT_ToggleLedOnIT_Init.iocのユーザNVIC設定箇所

GENERATE CODEをクリックすると、stm32g0xx_it.cのL149~L166にEXIT4_15_IRQHandler(void)が自動生成されます。
stm32g0xx_it.cのL160のUserButton_Callback()は、ユーザが追記したCallback関数です。
main.hのL71で、このUserButton_Callback(void)は、ユーザが宣言します。
main.cのL209~L212で、UserButton_Callback(void)は、ユーザがCallback関数の中身を記述します。

自動生成されたファイル名(橙色)とユーザ追記位置(緑色)とユーザ追記コード(赤色)
自動生成されたファイル名(橙色)、ユーザ追記位置(緑色)、ユーザ追記コード(赤色)

STM32CubeMXは、IRQハンドラ関数の割込み発生原因:トリガ検出部分を生成するのみです。

ユーザは、Callback関数とその中身を、「/* USER CODE BEGEN… */ ~ /* USER CODE END… */」で囲まれた3ファイル指定場所に追記します。囲まれた範囲は、STM32CubeMXで再度GENERATE CODEをクリックしても上書きされ残ります。

本章は、NVIC利用時のユーザ追記箇所を示しました。これらは、ADCなどの一般的な周辺回路利用時のユーザ追記箇所とは大きく異なります。
※一般的な周辺回路のユーザ追記箇所は、ADCを例に説明します。

STM32CubeMXが生成したソースコードの「どこに、何を、ユーザが追記すべきか」は、生成ソースコード理解が必要です。これには、公式サンプルプロジェクトソースコードの理解が役立ちます。
※これも、ADC例を使って、ソースコード理解方法を説明します。

STM32CubeMXのLow-Layer API利用法:全体まとめ

3回に分けて説明した「STM32G0x専用テンプレートで使うSTM32CubeMXのLL API利用法」全体をまとめます。

初期化処理生成

(第1回)

・STM32CubeMXを使う方法と、高性能小サイズなユーザ自作方法の2つ

・STM32CubeMX生成の初期化処理関数名は、接頭語にMX_が付く

・STM32CubeMXを使うと、無限ループ内処理に集中できる

LLとHALの違い

(第2回)

・LL:HALよりもハードウェアに近く、高速軽量なエキスパート向け

・HAL:ハードウェア抽象化で、STM32MCU間で最大限の移植性を保証

・LLは、HALハンドルレジスタを直接上書きする可能性あり

・LLとHAL混在:同一はもとより異なる周辺回路でも混在は避けた方が無難

STM32CubeMX設定

(第3回:本稿)

・Project ManagerのAdvanced Settingsで全周辺回路をLLに一括変更

・周辺回路追加・変更時、Advanced SettingsデフォルトHALに注意

・NVIC生成ハンドラのCallback関数と中身は、ユーザ作成が必要

これら3分野を把握しておけば、STM32CubeMXのLL APIを安全に利用できると思います。

上記まとめで少し気になるのは、安全側評価で「異なる周辺回路でもLLとHAL混在は避けた方が無難」とした点です。本当に異なる周辺回路で混在利用はできないでしょうか?

周辺回路が異なれば、LLがアクセスするハードウェアも当然異なり、競合は無いハズです。例えば、I2CはHAL API、GPIOはLL API利用でも競合問題はなさそうです。

多分、API利用者が、アプリケーションレベルでレジスタ競合などが無いことを確認できれば、「自己責任で異なる周辺回路なら混在可能」だと思います。但しこれを行うには、LLやHALの深い部分まで解読、競合調査が必要です。

AN5110のExamples_MIXサンプルプロジェクトで示された、HALの一部をLLへ置換え、処理高速化を狙う例に止めた方が良さそうです。

以上、STM32CubeMXのLow-Layer API利用法をまとめました。

LL APIとHAL APIは、トレードオフ

LL APIを使うと、MCUハードウェア性能を活かし、少ない容量で高性能アプリケーション開発ができます。半面、他のSTM32MCUへの移植性はHAL APIに比べ低下します。

LL APIとHAL APIは、トレードオフの関係です。LLかHAL、どちらのAPIでソフトウェア開発するかは、このトレードオフ評価で決めます。

STM32F0/F1両デバイス性能を1MCUでカバーするSTM32G0xは、専用アプリケーション、つまりLL API開発に値するデバイスだと思います。STM32G0xテンプレートは、LL APIを使い専用テンプレートとして開発します。

次回は、全てのSTM32G0xデバイスで実装済みでIoT MCU必須機能、2.5Msps12ビットADCのLow-Layer APIでの使い方を解説します。

MCU:マイコン,STM32マイコンテンプレート,Cortex-M0+,IoTマイコン,STM32F072RB,SW4STM32,STM32CubeMX,HAL,API,STM32G0x,LL,専用テンプレート,Low-Layer

STM32G0x専用テンプレートで使うSTM32CubeMXのLL API利用法第2回は、LL APIとHAL APIの違いを説明します。
専用テンプレートはLL、汎用テンプレートはHALを使う理由がお判りになると思います。

LL(Low-Layer)とHAL(Hardware Abstraction Layer)相対比較

第1回で示したLL API関連資料一覧のUM2319の最初のページに、LLとHALの定義が示されています。

・LL:HALよりもハードウェアに近く、高速で軽量なエキスパート向けレイヤー
・HAL:ハードウェア抽象化で、STM32MCU間で最大限の移植性を保証するレイヤー

MCUハードウェアに依存するLLは、高速・軽量ですが移植性が低いので、LL APIを利用するソフトウェア(=アプリケーション)はそのMCU専用になります。一方、HALはMCU移植性が高いため、HAL API利用アプリケーションはSTM32MCU間で汎用的に使えます。

HALの方が現代的で少ないユーザ記述でアプリケーション開発ができ、さらに汎用なので開発労力が無駄にならない利点があります。しかし、HALが隠蔽している制御の分Flash(ROM)やRAM容量が必要で、LLに比べ低速です。モーター制御など高速処理が必要な部分にはLLの方が向いているかもしれません。

以前の投稿STM32CubeMXの使い方で示した、HAL APIとLL API相対比較表を再掲します。

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)

専用テンプレートと汎用テンプレート

LL APIの利点は、ハードウェア性能を活かし少ない容量で高性能アプリケーション開発ができる点です。これは、小Flashで高性能なSTM32G0xデバイスに最適と言えるでしょう。

現状はSTM32G0xが「単独デバイス」でSTM32F0/F1両方のMCU性能をカバーしているので「専用テンプレートが最適」だと言えます。しかし、「STM32G0xシリーズに更に高性能なSTM32G1xデバイス」が発売されれば、移植性が高いHALでSTM32G0xソフトウェア開発を行う方が良くなる可能性はあります。

但しこの場合には、HAL API利用の販売中汎用STM32FxテンプレートをSTM32G0xデバイスへ適用すれば済みます。汎用性を示すこの適用例は、近く投稿する予定です。

特定ハードウェア性能を活かす専用アプリケーションが、少ないROM/RAM容量でも開発できるLL APIメリットを示すデバイス例としてSTM32G0xを選び、専用テンプレートを開発中です。

LL APIとHAL APIのアプリケーションサイズ実例比較

LL API利用時、容量がHAL APIに比べどの程度小さくなるかを実例で示します。

これも前の投稿STM32CubeMXの使い方で示したように、一般的にはLLの方がHAL比60~80%小さくなると言われます。

実例に評価ボードNucle-G071RBに処理は何もせず、64MHz動作のみをLL APIとHAL APIだけを変えてビルドした結果が下記です(SW4STM32 v2.8.1、STM32CubeMX v5.1.0、STM32G0 v1.1.0)。

  text data bss 使用容量 容量比(%)
LL API 3120 12 1564 4696 59
HAL API 9680 20 1708 11408 100

LL API利用の方が 59%小さく実現できることが判ります。

LL APIとHAL API混合利用時の注意点

AN5110には、LLとHAL両方を混在させた公式サンプルプロジェクトのExamples_MIXがNucleo-G071RBでも9例と少ないながら掲載されています。

LLとHAL混在利用の公式サンプルプロジェクト(出典:AN5110)
LLとHAL混在利用の公式サンプルプロジェクト(出典:AN5110)

LLとHALを混在利用時は、色々な注意点があります。UM2319の5章に詳細がありますが、一部抜粋します。

・同じ周辺回路をHALとLLで混在制御するのは避ける
・LLはHALがハンドルしているレジスタを上書きすることがあるので注意

また、UM2303の2章にLLとHALの示すアーキテクチャが示されています。

STM32CubeG0 Firmware Architecture(出典:UM2303)
STM32CubeG0 Firmware Architecture(※説明のため着色しています。出典:UM2303)

つまり、上層HALが下層LLを利用する場合がある訳です。LLは、HALがどのように周辺回路を制御しているかを知ることなく直接ハードウェアレジスタにアクセスします。混在時はレジスタ競合などの詳細な注意がAPI利用者側で必要です。

Nucleo-G071RB 利用時LLとHAL混在利用は、Examples_MIXの9例を除いては避けた方が良さそうです。
BSP(Board Support Package)も、同じ理由でSTM32G0x専用テンプレートには使いません。

※以上は、同一周辺回路でLLとHALを混在利用する場合の注意点です。
※では、周辺回路が異なれば混在は問題ないのでしょうか? 例えば、I2CはHAL、GPIOはLLの場合などです。この場合でも、HALがLLを利用することを考慮すると、アプリケーションレベルでの安全側評価では混在は避け、LLまたはHALに統一して利用する方が無難だと思います。

STM32CubeMXのLow-Layer API利用法 (2):LL APIとHAL APIの違いまとめ

STM32G0x専用テンプレートは、HAL APIとの混在利用は避け、LL APIのみで開発します。

従って、STM32G0xデバイス専用のアプリケーションとなります。
汎用テンプレートSTM32Fxテンプレートは、HAL APIを使っていますので、STM32MCUで汎用的に使えるアプリケーションです。
※このSTM32Fxテンプレート汎用性を示すため、STM32G0xデバイスへこの汎用テンプレートを適用した例を示す予定です。

LLとHAL混在アプリケーション開発は、レジスタアクセス競合などの詳細注意が、API利用アプリケーション側で必要です。
公式サンプルプロジェクトExamples_MIXで示されたやむを得ない場合を除いては、避けた方が無難です。

MCU:マイコン,STM32マイコンテンプレート,Cortex-M0+,IoTマイコン,STM32F072RB,STM32CubeMX,API,STM32G0x,LL,専用テンプレート,Low-Layer,初期化処理

STM32G0x専用テンプレートで使うSTM32CubeMXのLL(Low-Layer) API利用法を3回に分けて投稿します。

第1回:LL API初期化処理(本稿)
第2回:LL APIとHAL APIの違い
第3回:STM32CubeMXのLL API利用時注意点と第1回~第3回全体まとめ

第1回は、LL API初期化処理です。組込みソフトウェアは、初期化処理と無限ループ内処理の2つから構成され、LL APIでも汎用テンプレートで使ったHAL(Hardware Abstraction Layer)APIでもこの2構成は同じです。

LLとHALに関するSTマイクロエレクトロニクス(以下STM)資料は数多くあります。ただSTMは、STM32ソフトウェア開発は、基本的に「HAL API利用を推薦」していると思います。MCUハードウェア差を隠蔽でき、開発ソフトウェア移植性にも優れているからです。また、STM32CubeMXで生成する関数もHAL APIがデフォルトです。

STM32G0xシリーズLL API関連ソフトウェア資料一覧

筆者がそう考えるからかもしれませんが、STM32G0xシリーズのLL API関連資料は、投稿時点では未だ少ない状況で、リストアップすると表1の4個程度です。近くより小ピン小容量のSTM32G0xがリリースされますので、もっと多くなると期待しています。
※5番目のSTM32Cube ファームウエア テクニカル・プレゼンテーションにはLL API関連はありませんが、BSPやUSB制御をSTM32G0x専用テンプレートでも使う可能性を考慮して追加しました。

高性能ハードウェアを活かしコードサイズもHALより小さいSTM32G0x専用LL API関連資料4+1個の範囲でその利用法をまとめます。

表1 STM32G0xシリーズLL API関連ソフトウェア資料一覧(2019年3 月末)
資料名 概要
AN5110 STM32CubeMXで生成可能なSTM32G0公式サンプルプロジェクトの一覧表。HAL APIのみ、LL APIのみ、HALとLL混在などに区分けされたアプリケーションノート。
UM2303 STM32CubeMXを使いSTM32G0ソフトウェア開発着手時のユーザマニュアル
UM2319 STM32G0のHAL APIとLL APIユーザマニュアル
STM32Cube G0 Firmware Package STM32G0公式サンプルプロジェクト概要を示すオンライントレーニング資料
STM32Cube ファームウエア テクニカル・プレゼンテーション STM32シリーズSTM32CubeMXのHAL/BSP/ミドルウェア/USBライブラリの日本語解説書

STM32CubeMX LL API利用法の習得アプローチ

表1の概要を読むと、実践的にはAN5110のLL APIのみのサンプルプロジェクトとUM2303、万全を期すにはUM2319のLL API解説章の理解が必要です。

そこでLL API利用法は、実践的アプローチから着手し、不明な点やレファレンスが必要な時にUM2319を参照することにします。

STM32G0のLL API利用例:AN5110のExamples_LL

STM32G0x専用テンプレート動作確認評価ボードは、Nucleo-G071RBです。Nucleo-G071RBは、AN5110のExamples_LLで示されたLL API利用サンプルプロジェクト数が75個と掲載ボード中最も多いので前章アプローチに最適です。

これら多くのLL APIサンプルプロジェクトから、2つのGPIOプロジェクトに着目します。この2プロジェクトは、どちらも評価ボード実装済みLD4を250ms毎に点滅させます。

GPIOサンプルプロジェクト差
2つのGPIOサンプルプロジェクト差(※説明のため着色しています)

MXアイコンが付いているGPIO_InfiniteLedToggling_Initは、STM32CubeMXで生成可能、GPIO_InfiniteLedTogglingは生成不可です。その差は、Descriptionによると初期化処理(Initialization FunctionとUnitary Service Function)です。両者ソースコードの初期化処理を下図に示します。

GPIO_InfiniteLedToggling_InitとGPIO_InfiniteLedTogglingの初期化処理の差
GPIO_InfiniteLedToggling_Init(左)とGPIO_InfiniteLedToggling(右)の初期化処理の差

MX_GPIO_Init()が、STM32CubeMX生成可能プロジェクト、Configure_GPIO()が、生成不可プロジェクトの初期化処理です。

つまり、
・MX_GPIO_Init()=Initialization Function (generated by STM32CubeMX)
・Configure_GPIO()=Unitary Service Function (generated by User or by Peripheral Library)
です。※()内は、筆者が追記。

MX_GPIO_Init()は、STM32CubeMXが生成した初期化処理で、MX_が接頭語として付いていることからLLとHAL混在時でも使える関数です。一方、Configure_GPIO()は、MX_GPIO_Init()と同じ機能ながら少ないソースコードで記述できています。

その結果、Configure_GPIO()の方が、MX_GPIO_Init()よりも高性能で小サイズとなります(初期化処理以外は、どちらも同じ)。

MX_GPIO_Init()は、付属オリジナルSTM32CubeMXプロジェクトに変更を加えた時にでも中身はSTM32CubeMXが自動生成する関数で置換えられるだけで、MX_GPIO_Init()はそのまま残ります。一方、Configure_GPIO()は中身のユーザ修正が必要です。

結局、STM32CubeMXで生成可能なGPIO_InfiniteLedToggling_Iniプロジェクトは、ユーザが何らかの変更を加えても初期化処理をSTM32CubeMX任せにでき、無限ループ内にある変更処理に集中できる訳です。

STM32G0xのLL API利用法 (1):初期化処理まとめ

・初期化処理生成はSTM32CubeMXを使う方法と、高性能小サイズなユーザ自作方法の2つがある
・STM32CubeMX生成の初期化処理関数名は、HAL API混在時でも使用可能なMX_が接頭語
・STM32CubeMXを使うとプロジェクト変更時、無限ループ内処理のみに集中できる

STM32CubeMXは、LL APIまたはHAL APIの利用切替えが周辺回路毎に設定可能です。そこで、たとえLL APIのみ利用するプロジェクトでも、初期化処理関数の接頭語には、後々の周辺回路のHAL利用・変更・追加などに備えてML_を付けるのだと推測します。

LL API利用時、初期化処理をSTM32CubeMX任せにすると、ユーザ自作よりも多少サイズが犠牲になります。但しその差は、着目したプロジェクトGPIO_InfiniteLedToggling_Init:2808B、GPIO_InfiniteLedToggling:2604Bと微々(7.3%減)たるものです(SW4STM32 v2.8.1、STM32CubeMX v5.1.0、STM32G0 v1.1.0)。

公式サンプルプロジェクト応用が簡単にできることを考慮すると、その差を十分補える効果があります。

STM32G0x専用テンプレートのLL  API初期化処理方針

以上のことから、LL APIを利用するSTM32G0x専用テンプレートの初期化処理は、STM32CubeMX任せにします。

勿論、STM32G0x専用テンプレート用STM32CubeMXプロジェクトも添付いたしますので専用テンプレート応用・流用は簡単となります(汎用STM32Fxテンプレートは、既にテンプレート用STM32CubeMXプロジェクト添付済みです)。