MCU:マイコン,PSoC/PRoCマイコン,Cortex-M0+コア,Cortex-M4コアPSoC Creator,PSoC 6,CY8CKIT-145-40XX PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit,CY8CPROTO-063-BLE,ModusToolbox

米)Cypress(サイプレス)は、2020年4月、独)Infineon(インフィニオン)に買収され子会社になりました。買収の影響かは不明ですが、お気に入りCypress IDEのPSoC Creatorが、ModusToolboxへ移行しつつあります。ModusToolbox v2.3.0.4276(以下ModusToolbox)の特徴、PSoC Creatorからどう変わったのかを示します。

About Eclipse IDE for ModusToolbox
About Eclipse IDE for ModusToolbox

Windows/Mac/LinuxマルチOS、GitHub

PSoC Creator(以下Creator)は、Windowsのみで動作するCypress独自IDEです。ModusToolboxは、Eclipse IDEをベースとし、Windows/Mac/LinuxマルチOS対応となりました。また、最新サンプルコードやライブラリは、GitHub経由でオンライン提供へと変わりました。

ModusToolbox対応PSoC 4/6デバイス

ModusToolbox対応中のPSoC 4/6評価ボードとデバイスを抜粋したのが下図です(全評価ボードとデバイスは、リリースノートを参照してください)。

ModusToolbox 2.3のPSoC 4/6対応デバイス
ModusToolbox 2.3のPSoC 4/6対応デバイス

弊社PSoC 4000S/4100S/4100PSテンプレートで使ったCY8CKIT-145-40XX、PSoC 6 FreeRTOSテンプレートで使用予定のCY8CPROTO-063-BLEともに、ModusToolbox v2.3で開発できます(PSoC 6 FreeRTOSテンプレートは、前稿参照)。前バージョン2.2から新たにPSoC 4が追加されました。

AN228571:「ModusToolboxソフトウェアを使用するPSoC 6 MCU入門」は、全てのPSoC 6アプリケーション開発に、ModusToolbox利用を推薦しています。また、PSoC 4も追加されたことを考えると、ModusToolbox は、PSoC Creatorの後継IDEの可能性大です。

Creator回路図はDevice Configuratorへ

Creatorの特徴は、ソフトウェア開発の最初に、回路図:TopDesign.cyschへPSoCコンポーネントを配置、必要ならコンポーネント間配線を行うことです。ソフトウェア出発点が、多少ハードウェア開発者向きです。

PSoC Creatorの特徴:TopDesign.cysch
PSoC Creatorの特徴:TopDesign.cysch

ModusToolboxはこの回路図配置が、GUIで使用リソースの設定を行うDevice Configuratorへ変わりました。他社Eclipse IDEベースのIDE(例えば、NXP:MCUXpresso IDEやSTマイクロ:STM32CubeIDE)でも同様の周辺回路設定があります。

ModusToolbox のDevice Configurator
ModusToolbox のDevice Configurator(出展:AN228571)

つまり、見た目も操作性も、Eclipse IDEベースの他社IDEと殆ど同じになりました。

PSoCコンポーネントに重きを置いたCreatorプログラミングよりも、Eclipse IDEに慣れた開発者の親しみ易さ、GitHub経由のサンプルコード等の最新版配布による利便性を重視し、よりソフトウェア開発者向きにしたIDEがModusToolboxです。

ModusToolboxソフトウェア構成

ModusToolboxソフトウェア構成
ModusToolboxソフトウェア構成(出展:AN228571)

ModusToolboxソフトウェア構成を見ると、GitHub経由の提供部分が解ります。

下層の各種ドライバ、HAL、BSPsから、ミドルウェアのBluetooth、Mbed OSやFreeRTOS等のライブラリ、これらのサンプルコードも全てGitHubから最新版が取得可能です。

IDE基本部分と、開発ニーズや時節に応じて変化する部分を分け、変化部分はGitHubから最新情報を提供する構成は、優れていると思います。

まとめ

Infineon/Cypressの最新IDE ModusToolboxの特徴を説明しました。Eclipse IDEベースのWindows/Mac/LinuxマルチOS対応で、GitHub経由で最新ドライバやサンプルコードが利用可能です。

PSoC 6アプリケーション開発は、PSoC CreatorからModusToolbox利用を推薦し、最新版ModusToolbox v2.3.0.4276へPSoC 4も追加されたことから、Creator後継のIDEになりそうです。
※ModusToolbox v2.3.1.4663(2021-05-06)はパッチファイルで、v2.3.0.4276の事前インストールが必要です。

なお、PSoC 4/6開発にCreatorも引続き使えます。しかし、今のところ既存CreatorプロジェクトからModusToolboxプロジェクトへの移行ツールは見当たりませんので、新規PSoC 4/6開発は、ModusToolboxで行う方が良いと思います。

ModusToolbox概要は、コチラの英語動画でご覧いただけます。また、丸文株式会社さんの開発ツールページに、インストール方法サンプルコード使用手順などが分かり易く説明されています。

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低価格(4000円以下)、個人での入手性も良い32ビットARM Cortex-M4コア評価ボードのRTOS状況を示します。超低価格で最近話題の32ビット独自Xtensa LX6ディアルコアESP32も加えました。

Vendor NXP STマイクロ Cypress Espressif Systems
RTOS FreeRTOS
Azure RTOS
CMSIS-RTOS FreeRTOS
Mbed OS
FreeRTOS
Eva. Board LPCXpresso54114 NUCLEO-G474RE CY8CPROTO-063-BLE ESP32-DevKitC
Series LPC54110 STM32G4 PSoC 6 ESP32
Core Cortex-M4/150MHz Cortex-M4/170MHz Cortex-M4/150MHz
Cortex-M0+/100MHz
Xtensa LX6/240MHz
Xtensa LX6/240MHz
Flash 256KB 512KB 1024KB 480KB
RAM 192KB 96KB 288KB 520KB
弊社対応 テンプレート販売中 テンプレート開発中 テンプレート検討中 未着手

※8月31日、Cypress PSoC 6のRTOSへ、MbedOSを追加しました。

主流FreeRTOS

どのベンダも、FreeRTOSが使えます。NXPは、Azure接続用のAzure RTOSも選択できますが、現状はCortex-M33コアが対応します。ディアルコア採用CypressのRTOS動作はM4側で、M0+は、ベアメタル動作のBLE通信を担います。STマイクロのCMSIS-RTOSは、現状FreeRTOSをラップ関数で変換したもので実質は、FreeRTOSです(コチラの関連投稿3章を参照してください)。

同じくディアルコアのEspressifは、どちらもRTOS動作可能ですが、片方がメインアプリケーション、もう片方が通信処理を担当するのが標準的な使い方です。

価格が上がりますがルネサス独自32ビットコアRX65N Cloud Kitは、FreeRTOSとAzure RTOSの選択が可能です。但し、無償版コンパイラは容量制限があり、高価な有償版を使わなければ開発できないため、個人向けとは言えません。

※無償版でも容量分割と書込みエリア指定など無理やり開発するトリッキーな方法があるそうです。

クラウドサービスシェア1位のAWS(Amazon Web Services)接続用FreeRTOSが主流であること、通信関連は、ディアルコア化し分離処理する傾向があることが解ります。

ディアルコア

ディアルコアで通信関連を分離する方式は、接続クラウドや接続規格に応じて通信ライブラリやプロトコルを変えれば、メイン処理側へ影響を及ぼさないメリットがあります。

例えば、STマイクロのCortex-M4/M0+ディアルコアMCU:STM32WBは、通信処理を担うM0+コアにBLEやZigBee、OpenThreadのバイナリコードをSTが無償提供し、これらを入れ替えることでマルチプロトコルの無線通信に対応するMCUです。

メイン処理を担うM4コアは、ユーザインタフェースやセンサ対応の処理に加え、セキュティ機能、上位通信アプリケーション処理を行います。

通信処理は、クラウド接続用とセンサや末端デバイス接続用に大別できます。

STM32WBやCY8CPROTO-063-BLEが採用した末端接続用のBLE通信処理を担うディアルコアのCortex-M0+には、敢えてRTOSを使う必要は無く、むしろベアメタル動作の方が応答性や低消費電力性も良さそうです。

一方、クラウド接続用の通信処理は、暗号化処理などの高度なセキュティ実装や、アプリケーションの移植性・生産性を上げるため、Cortex-M4クラスのコア能力とRTOSが必要です。

デュアルコアPSoC 6のFreeRTOS LED点滅

デュアルコアPSoC 6対応FreeRTOSテンプレートは、現在検討中です。手始めに表中のCY8CPROTO-063-BLEのメイン処理Cortex-M4コアへ、FreeRTOSを使ってLED点滅を行います。

と言っても、少し高価なCY8CKIT-062-BLEを使ったFreeRTOS LED点滅プログラムは、コチラの動画で紹介済みですので、詳細は動画をご覧ください。本稿は、CY8CPROTO-063-BLEと動画の差分を示します。

CY8CPROTO-063-BLE のCortex-M4とM0+のmain_cm4.c、main_cm0p.cとFreeRTOSConfig.hが下図です。

PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLE FreeRTOS LED点滅のmain_cm4.cとmain_cm0.c
PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLE FreeRTOS LED点滅のmain_cm4.cとmain_cm0.c
PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLEのFreeRTOSConfig.h
PSoC 6 CY8CPROTO-063-BLEのFreeRTOSConfig.h

日本語コメント追記部分が、オリジナル動画と異なる箇所です。

RED LEDは、P6[3]ポートへ割付けました。M0+が起動後、main_cm0p.cのL18でM4システムを起動していることが判ります。これらの変更を加えると、動画利用時のワーニングが消えCY8CPROTO-063-BLE でFreeRTOS LED点滅動作を確認できます。

PSoCの優れた点は、コンポーネント単位でプログラミングができることです(コチラの関連投稿:PSoCプログラミング要点章を参照してください)。

PSoCコンポーネント単位プログラミング特徴を示すCreator起動時の図
PSoCコンポーネント単位プログラミング特徴を示すCreator起動時の図

PSoC Creator起動時の上図が示すように、Cypressが想定したアプリケーション開発に必要なコンポーネントの集合体が、MCUデバイスと言い換えれば解り易いでしょう。つまり、評価ボードやMCUデバイスが異なっても、使用コンポーネントが同じなら、本稿のように殆ど同じ制御プログラムが使えます。

PSoC 6 FreeRTOSテンプレートも、単に設定はこうです…ではなく、様々な情報のCY8CPROTO-063-BLE利用時ポイントを中心に、開発・資料化したいと考えています。PSoCプログラミングの特徴やノウハウを説明することで、ご購入者様がテンプレートの応用範囲を広げることができるからです。

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FreeRTOSアプリケーションテンプレート動作中
FreeRTOSアプリケーションテンプレート動作中

ARM Cortex-M4コア動作のFreeRTOSアプリケーションテンプレート第一弾、NXP)LPCXpresso54114対応版(税込2000円)を本日より発売します。概要、要点、FreeRTOSアプリケーションテンプレートとは、に関する説明資料は、コチラから無料ダウンロードできますのでご覧ください。

開発背景

IoT MCUのクラウド接続には、AWSならAmazon FreeRTOS、Microsoft AzureならAzure RTOSなどのRTOSが必要です。クラウド側からは、1つのRTOSライブラリを使って様々なMCUハードウェアを接続するための手段、これがRTOSです。

一方、IoT MCU側からは、接続先サービスに応じたRTOSライブラリ利用に加え、従来のベアメタル開発からRTOS上でのアプリケーション開発へ発展する必要もあります。IoT化に伴うこのような変化に対し、開発者個人が手間なく対応するためのツール、これが弊社FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

MCU RTOS多様化対策のFreeRTOSアプリケーションテンプレート
MCU RTOS多様化対策のFreeRTOSアプリケーションテンプレート

目的

FreeRTOSアプリケーションテンプレートの目的は、「RTOS基礎固め」と「FreeRTOSプロトタイプ開発のスタートプロジェクトとなること」の2点です。

RTOS開発は、ベアメタル開発とは異なります。

RTOS Kernelが、開発した処理(タスクやThread)と他タスクの優先順位により、処理実行/待機を決めます。開発タスク単体の流用性は高まりますが、タスク間同期や通信に、セマフォやQueueなどのRTOS独特の手段が必要です。

IoTにより全てのモノ(MCU)がクラウドへ接続する時代の基盤は、RTOSです。

ベアメタル開発経験者が、このRTOSの早期基礎固め、Kernelと自身で開発したタスクの並列処理を理解するには、個々にRTOS手段を説明するサンプルソフトよりも、具体的なRTOSアプリケーションの方が実践的で役立ちます。

RTOSアプリケーションがあれば、優先順位を変えた時のタスク動作変化や、その他経験に基づいたRTOS実務開発で知りたい事柄を手間なく試し、新たな知見・見識を得られるからです。これらは、サンプルソフトや、説明文から得ることは困難で、実際のRTOSアプリケーションで開発者自身が試行するのがベストです。

そこで、各FreeRTOS手段を説明した弊社MCU RTOS習得ページを理解した次の段階として、最初の図に示したプロトタイプ開発着手に必須となるADC/LCD/SW/LED/VCOM処理を、NXP)LPCXpresso54114(Cortex-M4/150MHz、Flash/256KB、RAM/192KB)とBaseboard、Arduinoプロトタイプシールドに実装し、動作確認済みRTOSプロジェクトが、FreeRTOSアプリケーションテンプレートです。

FreeRTOS Application Template (NXP Version)
FreeRTOS Application Template (NXP Version)

※上記プロジェクトは、クラウド接続は行っておりません。RTOS基礎固めとFreeRTOSプロトタイプ開発に適すことが目的ですので、クラウド接続RTOSライブラリは未実装です。

FreeRTOSを選んだのは、現在MCU RTOSシェア1位だからです(関連投稿はコチラ)。RTOS手段は、各RTOS共通技術であるSemaphoreとQueueの2つを用いております。LPCXpresso54114のFlashやRAM使用量にはまだ十分余裕がありますので、より高度なミューテックスやイベントグループなどの手段を適用するのも容易です。

特徴

本テンプレートには、上記FreeRTOSプロジェクトと同じ動作確認済みのベアメタル開発プロジェクトも添付しております。これは、ベアメタル開発に慣れた方が、FreeRTOSとベアメタルの差分をより明確に理解し、比較や評価をするためです(比較・評価は、ご購入者ご自身で行って頂きます)。

本テンプレート付属説明資料は、主にベアメタル開発者視点から見たFreeRTOSプロジェクトを解説しており、ベアメタルプロジェクトに関する説明は、ソースコードを読めばご理解頂けるとして省略しております。

従って、FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタル開発経験者を対象といたします。ベアメタル初心者の方は、先ずは各MCUベンダCortex-M0+/M3コア対応の従来マイコンテンプレートをご購入ください。従来テンプレート付属説明資料には、ベアメタル動作の詳しい説明が付いています。

※本テンプレートのベアメタルプロジェクトは、従来テンプレートCortex-M0+/M3コアをCortex-M4コア対応へ発展させたものです。ベアメタルプロトタイプ開発着手時に適すプロジェクトです。

FreeRTOSアプリケーションテンプレートは、ベアメタル開発経験者が、手間なく直にRTOSとベアメタルの差を理解・実感し、かつ、IoT基盤RTOSの効率的な基礎固めができるツールです。

なお、既に従来マイコンテンプレートご購入者様は、50%OFF特典があり、税込1000円にて本FreeRTOSアプリケーションテンプレートをご購入頂けます。弊社での確認ミスを防ぐため、ご購入時に従来テンプレート購入者様である旨、お知らせください。

勿論、従来テンプレートとFreeRTOSアプリケーションテンプレートの同時購入でも、この特典は適用されます。

まとめと今後

ベアメタル開発経験者が、IoT MCUクラウド接続に必要となるRTOSの効率的な基礎固め、FreeRTOSプロトタイプ開発着手プロジェクトとして使えることを目的に、NXP)LPCXpresso54114、Baseboard、Arduinoプロトタイプシールドを使ったFreeRTOSアプリケーションテンプレートを発売しました。

本テンプレートは、Amazon FreeRTOSのHardware Independent FreeRTOS Exampleを原本としています。第1弾はNXP)LPCXpresso54114へ適用しましたが、今後、STマイクロエレクトロニクス)STM32G4やCypress)PSoC 6など他社Cortex-M4コアの対応版も開発予定です。

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Cypress PSoC Creatorで、開発デバイスファミリが見つからない時の対処方法を示します。

No Target PSoC Family
No Target PSoC Family

開発デバイスファミリがDevice familyリストに無い!?

PSoC 4100PSファミリ評価ボード:CY8CKIT-147を入手、評価ボード付属サンプルコードをPSoC Creator 4.2(以下、Creator)にインポートするためFind Code Exampleをクリックしましたが、対象MCUファミリのPSoC 4100PSがDevice familyリストに見当たりません。

このリストに対象MCUファミリが無い時は、新規プロジェクト作成やサンプルコードインポートができないため、Creatorが全く使えません。お手上げ状態です。

※CY8CKIT-147は、CapSenseテンプレート開発用にトラ技懸賞で当選した評価ボード(前回投稿参照)です。

PSoC Creator対処

CreatorのToolsタブからFind new devicesをクリックします。Device Update Installerダイアログが表示されますので、Installをクリックし完了を待ちます。

PSoC CreatorのFind new devices
PSoC CreatorのFind new devices

Creator再起動でDevice familyリストへ最新MCUファミリが追加されます。勿論、PSoC 4100PSもDevice familyリストにありますので、CreatorでCY8CKIT-147プロジェクト作成ができ開発可能となります。

例としてPSoC 4100PSファミリで説明しましたが、他のデバイスファミリがDevice familyリストに無い場合も同様に解決できます。

Update ManagerはDevice familyリスト更新ができない

Cypress Update Managerは、PSoC Creatorなども含めたインストール済みCypress MCU開発環境の更新状況をチェックし、更新や削除が簡単にできる優れたツールです。Creatorと同時にインストールされます。

Update Managerは、自動で起動し目立つのでご存じの方は多いと思います。しかし、前章で示したCreatorが扱うDevice familyリスト更新はUpdate Managerではできません。Creator 4.2を長く使っている方ほど、Find new devicesを忘れがちですので注意してください。

Creatorが扱うコンポーネントの場合は、同じことは起こりません。理由は、Creatorでプロジェクトを開いた時、右下に黄色の!アイコンが表示されるからです。この!アイコンをクリックすると、プロジェクトで使用中のコンポーネントが最新版へ更新されます。

PSoC CreatorのNew Compornents are available表示
PSoC CreatorのNew Compornents are available時の!アイコン表示

但し、コンポーネント更新は、アプリケーションに対して動作リスクが伴います。更新前プロジェクトArchive作成も忘れずに行いましょう(関連投稿:STM32CubeIDE v1.1.0更新と文字化け対策(その2)の2~3章)。

PSoCプログラミング要点

PSoCプログラミングは、デバイス内蔵コンポーネントのAPI操作です。従って、コンポーネント単位のプログラミングとその開発経験の積重ね/載せ替えが可能です。

想定アプリケーションに必要となる複数コンポーネントをパッケージしたものが、各種デバイスファミリで、Creatorインストール時の図がこれらを示しています。

PSoC Programmingのポイント
PSoC Programmingのポイントは、コンポーネント単位の開発経験の積重ね、デバイス載せ替えが可能なこと。

CreatorのGUIで、コンポーネント更新が新デバイスファミリ追加よりプライオリティが高いのも、コンポーネントプログラミングが理由だと筆者は思います。

多くのPSoCコンポーネントの中でCapSenseにハイライトしたのが開発中CapSenseテンプレートで、動作確認ファミリはPSoC 4000S/4100S/4100PSです。但し、同じ第4世代CapSenseコンポーネント内蔵のPSoC 6などへも流用や応用が簡単にできます。

PSoC Creator 4.3 Beta版リリース

2019年10月31日、新たにPSoC 4500ファミリをサポートするPSoC Creator 4.3 Bate版がリリースされました。PSoC 4500ファミリは、二つの独立したSAR ADCと5個までのOpamp/Comparatorブロックを持つアナログ周辺回路が豊富なデバイスファミリです。

Creatorが4.3へ正式更新された時には、同時にDevice familyリストも最新版へ更新されると思います。Creator 4.2が長く使われた結果、今回のようなデバイスファミリが見つからない事象が発生したと言えます。

同じファミリでも新デバイスが毎年追加されます。半年に一度程度は、CreatorのFind new devicesをクリックすることをお勧めします。

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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。

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トランジスタ技術2019年5月号が、サイプレス・セミコンダクター(以下サイプレス)のPSoC 4100S搭載基板付きで1,180円(税込)で販売中です。平成最後のトラ技で、PSoC 4と統合開発環境PSoC Creatorの良さが判る雑誌が、安価に入手できます。

ゴールデンウイークの読物に、MCUソフトウェア開発者だけでなくハードウェア開発者へもお勧めです。

トランジスタ技術平成31年5月号PSoC関連目次
トランジスタ技術平成31年5月号PSoC関連目次(※説明のため着色しています。出典:トランジスタ技術)

弊社ブログ掲載MCU中、筆者が最も好きなMCUが、Cortex-M0のPSoC 4シリーズです。MCU技術、サイプレスサイト掲載情報量と質、どれも競合他社より優れていると思います。但し、中級者以上の方には受けが良くても、初心者や初めてサイプレスサイトを訪れる方が解り易いかは疑問です。

ネット並みの手軽さはありませんが、紙媒体のトラ技は、セキュリティ不安や無駄な広告が無く、図表が多く2色で色分けされた文章は、CQ出版社構成済みです。PSoC 4やサイプレスが初めての方でも、短時間で重要箇所を読み・理解するのも簡単です。

ここからは、トラ技を入手した方を前提に、(少々差し出がましいのですが)PSoC 4やPSoC Creatorに解説を加えます。本ブログ対象の、「個人でも低価格で入手性が良いMCUにPSoC 4が該当」するからです。

PSoC 4と4000Sシリーズ

PSoCファミリラインナップがP60コラムにあります。PSoC 4の位置づけが良く解ります。このPSoC 4(Cortex-M0コア)に旧富士通のFM0+買収で得たCortex-M0+コアを採用し、世代改良したのがPSoC 4000Sシリーズです。S付きがCortex-M0+、無しがCortex-M0です。

PSoC 4000Sシリーズのラインナップが下図です。

PSoC 4000シリーズ分類
PSoC 4000シリーズ分類(出典:Cypress Semiconductorメールの一部抜粋)

メール画面切取り画像のためDigi-keyやMouserリンクは無効ですが、PSoC 4000Sシリーズは低価格で入手性も良いMCUであることが解ります。

Entry Level PSoC 4000Sのアナログ機能強化版であるPSoC 4100S:CY8C4146LQI-S433/Flash:64K/RAM:8K搭載基板がトラ技に付属しています。ブレッドボードなどで動作可能です(特設P115~に詳しい説明あり)。

PSoC 4100Sのトラ技採用理由は、第1部の(重い)処理内容や第2部のハイエンドPSoC 5LP(P104コラム参照)へのガイドがし易いからだと思います。

個人的には、先ずEntry LevelのPSoC 4000Sを使って、PSoCの良さをもっと手軽に読者に認知させた方が良いと感じました。4000Sと4100Sの差分は、内蔵アナログ・コンポーネントとその数だからです(MCU提供サイプレスの思惑もあるかもしれませんが…)。
※内蔵アナログ・コンポーネント解説は、特設P143~に詳しく説明されています。

PSoC Creator

PSoC Creatorは、EclipseベースIDEですが、他社IDEと異なります。使い勝手は、トラ技記事にあるように痒い所に手が届くように良くできたIDEです。モニタ1台ではなく、複数の高解像度モニタを使いたくなります。

簡単に言うと、MCUハードウェア開発者でも使える回路図機能とソフトウェア開発機能を全て盛り込んだ環境です。
※特設P129~のPSoC Creator操作マニュアルに詳しく説明されています。

PSoC Creator操作画面
PSoC Creator操作画面

筆者がPSoC 4000SとPSoC Creatorを勧める具体的理由が下記です。

MCUハードウェア開発者向け:自分で開発したハードウェアのテストプログラムを、できるだけ簡単に自作したいが、ソフトウェア開発技術を習得する時間が無い。

MCUソフトウェア開発者向け:制御ハードウェアの詳細を、データシートを読むよりも効率良く理解したい。ハードウェア担当者に直接聞くのも面倒だ。

これらの方々は、是非PSoC Creatorを試してください。ハード/ソフトの垣根がなく、自分が知りたいことをPSoC Creatorだけで調査でき、求める出力をCreateできるのがPSoC Creatorです。

PSoC Creatorを使うと、ハードウェア・ソフトウェア共に既存資産の活用と組み合わせでMCU開発するのが便利で効率的なのが良く解ります。ハードウェア的に言うとコンポーネント活用、ソフトウェア的に言うとAPI活用です。

PSoCの場合、外付けセンサー接続時にあると便利なアンプやコンパレータなどのアナログディスクリート回路や、AND/OR/NOTデジタルディスクリート回路などもMCU内蔵です。システム完成時の実装部品数が削減できます。

さらに、PSoC 4000Sには、タッチ・センサー制御に強いCapSenseも内蔵で、細かな調整もPSoC Creatorでできます。

一度使ってみれば、PSoC CreatorがPSoCの魅力を引き出すというトラ技解説が良く解ります。

PSoC 4000SとPSoC6テンプレート開発の可能性

弊社のPSoC 4/PSoC 4 BLE/PRoCテンプレートは、Cortex-M0対応で2015年発売当時は最新でした。

しかし、トラ技付属のPSoC 4100S搭載基板を活用できるテンプレートや、Entry Level第4世代PSoC 4000Sを使った新テンプレートも開発したくなりました。Cortex-M0+採用による低電力・高効率化が気になります。

例えば、PSoC 4000S CapSense Prototyping Kit($15)で新テンプレートを開発すると、タッチ・センサー機能も低価格で直にプロトタイプ開発ができそうです。更に高性能で低価格なPSoC 6ファミリ(Cortex-M4/M0+デュアルコア)にも興味があります。

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

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IoT MCUは、従来の2×16文字のLCDから、SPIバス接続でよりリッチな表示ができるものへと変わりつつあると前投稿で述べました。

SPIバスは、従来MCUでも実装しています。ただし、多くの場合I2Cとポート共用で、センサやEEPROMとI2C接続するサンプルソフトが多数派でした。IoT MCUでは、センサ接続とリッチ表示を同時にサポートするので、I2C/SPIポートを2個以上装備するMCUが多くなりました。

本稿は、SPI/I2Cバスの特徴と、SPI接続の最新表示デバイスを示します。

SPIバスとI2Cバスの特徴

SPI Bus vs. I2C Bus (Source: Wikipedia)
SPI Bus vs. I2C Bus (Source: Wikipedia)

SPI(3線式)とI2C(2線式)は、どちらも制御ボード内で使うシリアル通信インタフェースです。少ない線数で複数デバイスを接続できますので、制御ピン数を少なくしたいMCUには適しています。
※SPI:Serial Peripheral Interface
※I2C:Inter-Integrated Circuit

仕様の解説などは、ネット内に数多くありますので省略します。

前投稿のNXP Swiss Army Knife Multi toolのWebinarで示されたSPIとI2Cの特徴に、MCU使用例を加筆したのが下表です。

SPI vs. I2C (Source: NXP Swiss Army Knife Multi tool Webinar)
  SPIバス I2Cバス
長所

・高速

・5V/3.3V デバイス混在可能

・2線でバス接続可能
短所

・デバイス毎にチップセレクト必要

・4動作モードがあるためバス接続時面倒

・低速

・同一Vddでデバイスプルアップ

使用例 リッチ液晶ディスプレイ, SD/MMCカードなど EEPROM, 加速度センサ, 気圧センサなど

※NXPは、当初I2Cバスで液晶ディスプレイ接続を試みたが、結局SPIバス接続になったそうです。Webinarだと、アプリケーションノートに記載されないこのような貴重な情報が入手できます。

SPI接続の最新表示デバイス

検討の結果NXPは、128×64ドット1.3“のOLED: Organic LED(有機LED)ディスプレイをMicro SDカードとSPIバス接続しています(前回投稿Swiss Army Knife Multi tool Block図参照)。
※有機LEDは、輝度や視野角、消費電力などの面で優れた特性を持つLEDです。

SPI OLED Display
SPI OLED Display

*  *  *

一方CypressのCY8CKIT-062-BLE Webinarでは、264×176ドットのE-INKディスプレイシールドが使われました。E-INKディスプレイは、電源OFFでも表示が残る画期的な表示デバイスです。しかもシールド基板なので、Arduinoコネクタを持つMCU評価ボードへの装着も可能です。

E-INK Display Shield
E-INK Display Shield

記載インタフェース信号名から、このE-INKディスプレイもSPI接続であることが解ります。

SPI E-INK Display
SPI E-INK Display (Source: PSoC® 6 BLE Pioneer Kit Guide, Doc. # 002-17040 Rev. *B, Table 1-3)

CY8CKIT-062-BLEは、このE-INKディスプレイのシールド基板付きで8,600円(Digi Key調べ)で入手可能なのでお得です。

しかし、E-INKディスプレイの制御方法が、PSoC Creatorの専用ライブラリ経由で、PSoC MCUファミリで使うには(多分)問題ありませんが、他社評価ボードでこのシールドを使う時は、専用ライブラリの詳細解析などが必要になると思います。

まとめ

SPIバスとI2Cバスの特徴と、SPI接続の最新表示デバイスを2つ示しました。

MCU評価ボードで使われた有機LEDディスプレイやE-INKディスプレイには、I2Cよりも高速なSPIバスが接続に使われています。

有機LEDディスプレイは、輝度や視野角、消費電力などの面で従来LEDディスプレイよりも優れています。

E-INKディスプレイシールドは、電源OFFでも表示が残りArduinoコネクタを持つ他社評価ボードにも装着可能ですが、Cypress制御ライブラリの解析が必要になります。

そこで、SPIバス接続を使ったArduinoシールド基板で、リッチ表示可能、サンプルソフトなどの情報多数、入手性が良く低価格、という条件で調べたところ、Adafruit(エイダフルート)の1.8“カラーTFTシールド(128×160ドット)、microSDカードスロットとジョイスティック搭載(秋月電子3,680円)を見つけました。

1.8" TFT Shield Schematic
1.8″ TFT Shield Schematic

TFT コントローラICのST7735Rのデータシートも開示されていますので、OLEDやE-INKシールドよりも使いやすいと思います。

しかも、メニュー表示した画面に、付属ジョイスティックを使ってユーザが処理選択することもできるので、お勧めのSPI接続表示シールド基板です。

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最新マイコンの評価ボードから、IoT向けMCU技術動向を考察します。参考にしたのは2017年後半開発の下記2種評価ボードです。

つい最近、2ボードはWebinarで解説されており充実内容でした。興味がある方は、上記リンクから探せばOn Demandでも見られると思います。英語ですが非常に参考になります。

CY8CKIT-062-BLE
CY8CKIT-062-BLE

私は、「ベンダ製評価ボードは、ハード/ソフト両方の早期開発レファレンスとすべきだ」と何度か説明してきました。この認識に基づき最新評価ボードから今後のIoT MCU技術動向を抽出したのが下記です。

リッチ表示、タッチパッド、大容量ストレージ、IoT無線通信、FreeRTOS

IoTマイコンには、以下5項目が現状MCU技術に加わると思います。

IoT MCU技術動向(2017年11月)
追加技術 概要
リッチ表示出力 2×16文字程度のLCD表示から、128×160ドットカラーTFTディスプレイなどよりリッチ表示が可能な出力。
タッチパッド入力 従来タクトスイッチから、タッチパッドなどのより柔軟なユーザインタフェース入力。
大容量ストレージ 小容量EEPROM or RAMから、ロギングデータ等の保存も可能なSDカードなどの大容量ストレージ。
IoT無線通信 UART/SCIから、IoTプロトコルに応じた間欠動作で低電力志向の無線通信。
FreeRTOS ベアメタル開発から、複雑なリアルタイム処理実現のためのRTOS開発。

※IoT通信は様々なプロトコルが乱立状態ですが、BLE/Thread両方サポートに集約されそうな気配です。
※RTOSもCMSIS_RTOS/mbed OS 5/FreeRTOSと様々ですが、FreeRTOS利用例が多いです。

5項目全てが追加される訳ではなく、現状MCUにIoT通信処理のみを追加したコスト重視IoT MCUと、全て追加した高機能IoT MCUの2タイプに分かれそうです。

2タイプのIoTエンド端末

IoT MCUで開発するデバイスを、ここではIoTエンド端末と呼びます。端末の方がイメージし易いからです。コスト重視IoT MCUは、低価格IoTエンド端末へ、高機能IoT MCUは、IoTの申し子となる高機能IoTエンド端末へ搭載されます。

IoT端末の多くはこの低価格タイプになると思います。

ADCなど従来MCUのアナログ入力にセンサを接続し、IoT通信でクラウドへセンサデータを定期的に送信します。低電力処理重視のためリッチ表示などは不要で、数年~10年程度はバッテリー動作可能です。

IoT通信機能は現状未実装ですが、ルネサスエレクトロニクスのOktoberfestコースターなどが実例です。通信機能搭載で、店員のスマホから飲み物の有無や温度が解るなどの使い方が想定できます。

Oktoberfestコースター
Oktoberfestコースター

つまり、IoTクラウドの5感センシング(視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚)が主機能で、クラウド処理結果やユーザへのアクション指示は、スマホなどの別端末が行うのがこのタイプです。

*  *  *

高機能IoTエンド端末は、低価格端末機能に加え、リッチ表示ディスプレイでユーザに端末やクラウド解析結果なども表示可能で、ユーザが状況に応じて判断するためのタッチパッド入力なども備わっています。

端末データをローカルなSDカードなどのストレージへ蓄積し、一括してクラウド送信することや、ディスプレイ表示を状況に応じて変更するための画像データをローカル保存することもなどもできます。

IoT普及時の高機能端末がこれで、言わば簡易スマホ機能も備えた端末と言えます。最新評価ボードは、このタイプの開発レファレンスに使えるように設計されています。

実時間で複雑な並列動作が要求されるので、RTOS(FreeRTOS)が用いられます。

NXPのSwiss Army Knife Multi toolなどが実例です。

Swiss Army Knife Multi tool Block Diagram
Swiss Army Knife Multi tool Block Diagram

まとめ

最新MCU評価ボードから、現状MCUへの技術追加(強化)5項目を抽出しました。追加項目により低価格IoT MCUと高機能IoT MCUの2つに分け、IoTエンド端末イメージを示しました。

現状MCUにIoT無線通信を追加した低価格IoTエンド端末は、IoTセンサとして機能し通信プロトコルが確定すれば、現状技術でも実現性は高そうです。

簡易スマホ機能も備えた高機能IoTエンド端末は、新技術(IoT無線通信、FreeRTOS)や、従来MCUであまり使われなかったリッチ表示出力、パッチパッド入力、大容量ストレージ技術が強化されそうです。

リッチ表示出力や大容量ストレージには、高速大容量向きのSerial Peripheral Interface:SPIバス接続が有力です。センサ接続には、従来同様低速なInter Integrated Circuit:I2Cバスを使い続けるでしょう。

タッチパッド入力は、ベンダ提供の独自ライブラリを利用する形態になります。ベンダ毎にセンス能力やウエット耐性などに性能差が生じる可能性があります。

IoT通信処理とRTOSは、様々な仕様が混在中ですが、BLEとThread両用、FreeRTOSに収束しそうな気配があります。

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3月14日のEE Times Japanに“Cypress、低消費でより強固なセキュリティ実現”という記事が掲載されました。この記事から、2017/4Q(10月~12月)量産予定のCypressの新しいIoT MCU、PSoC 6の特徴をまとめました。

PSoC 6の特徴

  • Cortex-M4+Cortex-M0+ のデュアルARMコア
  • プロセス技術にウルトラローパワー40nm SONOS採用(従来は130nm)した結果、Cortex-M0+:15uA/MHz、Cortex-M4:22uA/MHz、ローパワーモード動作電圧:1.1V、ウルトラローパワーモード動作電圧:0.9Vを実現。消費電流は、下表参照。
PSoC 6 Current consumption
PSoC 6 Current consumption(記事より)
  • ハードウエアでのセキュア データストレージ機能を備えたTEE : Trust Execution Environment実装
  • 暗号化アルゴリズム:楕円曲線暗号(ECC)、AES(Advanced Encryption Standard)、ハッシュ(SHA-1/2/3)ハードウエア実装
  • Bluetooth Low Energy 5.0対応
  • 評価ボード:PRoC 6 BLE Pioneer Kit(CY8CKIT-062-BLE)は75米ドル。
    弊社マイコンテンプレート使用中のPRoC 4 BLE Pioneer Kit (CY8CKIT-042-BLE)は49米ドルです、ディアルコアを考慮するとお買い得?

ハードによるセキュリティ機能はIoT MCUに必須

IoTマイコンにARMコアを使う場合、新しいCortex-M23/33コアによるアプローチと、従来コアにTEEなどのセキュリティ機能を付加したアプローチの2つがありそうです。CypressのPSoC 6は、後者です。

いずれも、ハッキングやウイルス対策に、ハードによるセキュリティ対策は必須です。私個人の感触では、どの程度の処理を MCUで行うかにもよりますが、たとえ専用セキュリティハードを追加したとしても、Cortex-M0/M0+/M23クラスの処理能力では、IoT通信制御だけでも重すぎるのではないかと思います。

そこで、より能力の高いCortex-M33やCortex-M3、M4を使うか、M0クラスとのディアルコア化も解として有力かもしれません(コア性能差は、コチラを参照、Cortex-Mxの特徴はコチラを参照)。

PSoC 6はBluetooth 5.0とデュアルコアでしたが、IoT通信規格の決定だけでなく、MCUアーキテクチャ、これら両方の観察がIoT MCU選択に必要になりそうです。