ARM(STM32)の基礎と開発入門【ARM初心者の効果的な勉強方法】

組み込みシステムとはPC、タブレットなど汎用的なコンピュータシステムに対して各種機器に組み込まれる機能を特化した専用コンピュータシステムのことです。組み込みシステムを搭載した機器で思いつくものはざっと以下のようなものが挙げられます。

小さいものから大きいものまで現在の電気機器には組み込み技術はほぼすべて導入されているのではないでしょうか。むしろ、組み込み技術の導入されていない機器のほうが珍しいくらいです。

ここでハードウェアとソフトウェアという概念がありますが、ハードウェアとはスイッチや電気・電子回路といった目に見える物理的なもので我々が直接手にするものはこのハードウェアのことです。

ソフトウェアは組み込みシステムにおいては搭載されたマイコンの内部にあるプログラムのことでハードウェアを制御するためにいろいろな機能を構成したものです。物理的に目に見えるものではありません。

組み込み技術の敷居が高いと言われるのはソフトウェアのプログラミング技術以外にも電気・電子工学、機械工学、制御工学など広い範囲での知識をまとめるチカラが必要だからです。

ただし、例えば電気・電子工学の知識といっても専門性の高い学問をするのではなく、ちょっとした実用的な回路を理解したり設計したりすればよいので恐れることはないのです。

大事なことはそれぞれの分野での基本を押さえることつまり本質を理解することで専門性を追求することではありません。

例えば、組み込み技術で身につけていれば大変心強い制御工学（フィードバック制御）についてもそうです。専門の書物などにかかれていることは数学の世界のため理解するのは本当に困難です。基礎がない場合、独学はほぼ不可能ではないでしょうか。また理解したところで実際に使えるようにはなりません。

これも大事な本質だけをとらえて実用的に使える一部だけ利用すればよいのです。専門性を高めたい場合はある程度の経験をつんで基本原理が理解できてからのほうがよいでしょう。

これまではこれまではマイコンの概念やマイコン開発のための具体的な内容を中心に話をすすめてきました。
これからマイコンについて本格的に学ぶにあたって、事前に知っておくべき電気・電子的基礎知識の要所を押さえていきます。

組み込み技術がプログラムだけでなくハードウェアの知識も必要といわれるその部分のことですのでとても重要なところです。例えば、マイコンで信号をやり取りするIOポートの回路がどのような構成でどのような種類の信号が扱われるかといったところです。

入力信号はセンサなどのハードウェアからインターフェースといわれる回路を介してマイコン内に取り入れられます。マイコンで信号を取得後、デジタル化し、プログラムで処理したあと再びインターフェースを介して外部に出力して何らかの処理をするのが組込みシステムですので具体的に回路や周辺ハードウェアを理解する必要があります。

また回路などのハードウェアの知識と同時にインターフェースの部分を理解するためにはアナログとデジタルに関する理解も大事です。プログラムを作成するにあたって常にモノを扱っている意識を忘れないで取り組んでもらいたいものです。

マイコンにはCPU、ROM、RAM、I/Oそしてペリフェラルと呼ばれるメーカー独自の周辺機能が内蔵されています。

CPUは中央演算処理装置(Central Processing Unit)と呼ばれマイコンの中での司令塔つまり頭脳の役割をしています。作成したプログラムにしたがって順次命令を実行し、入力ポートのデータを読み込んだり、周辺機能の通信機能でモニター表示をだしながら、タイマーで計測した間隔で出力ポートへ信号をだしたりします。

マイコンには、このようにタイマ、通信、AD・DAコンバータなど家電やスマホをはじめとする電気機器や通信機器などで必須の周辺機能が盛り込まれています。内蔵されている周辺機能の種類はマイコンにもよりますが、基本的にタイマ機能、ADコンバータ、シリアル通信UARTそして汎用入出力ポート（GPIO）はどんなマイコンにも内蔵されている重要な機能ですのでこれらを使いこなせるようになればちょっとしたシステムは簡単に構成できるようになります。

マイコンがなかった時代ではこれらの周辺機能はすべてハードウェア（アナログ回路とデジタル回路）で構成していたわけですから、一つのシステムを構築するのは時間も労力もかかり大変でした。今では周辺機能はマイコンに内蔵されていますので、ソフトウェア（プログラム）だけですべて設定できます。

はじめにシステムの設計を将来的な仕様変更なども見越してきっちりとしたものにしておけば後々にはソフトウェアの変更で色々な機能変更などが簡単にできてしまいます。周辺回路をハードウェアで構成していたころからは考えられない便利さです。

この章ではいよいよ、STM32F1xxシリーズ（Cortex-M3)に備わっている各ペリフェラルの詳細を解説していきます。

STM32マイコンは高機能のマイコンですが、すべての機能を理解したり、使いこなす必要はありません。必要に応じて機能を正しく使いこなせばよいのです。ただ、そのためには、STM32に備わっている周辺機能（ペリフェラル）をある程度は理解しておくことが必要でしょう。

例えば、ペリフェラルの中でもタイマ・カウンタやADコンバータはとても機能が多く、初心者にとってはどの機能を選択すればよいのかがわかりにくいかもしれません。そこで、当サイトでは各ペリフェラルで最も基本的な使い方ができる機能から解説しています。まずは実際に動作することを確認してから徐々に機能を発展させる感覚ですすめていけばよいと思います。

実際の動作は「マイコンプログラム例と実践」でサンプルプログラムに従って確認できます。

各ペリフェラルの機能については当サイトで紹介するのはすべてではなく、これだけ一通りおさえておけば大概の組み込みの仕事ができるといったものを抜粋したものなのでぜひ習得してもらいたいです。もちろん、要求仕様によってはより高度な機能が必要となるとおもいますがそれは初心者のレベルをはるかにこえたプロに必要なものなのでこのサイトでは取り上げておりません。

STM32マイコンのレファレンスマニュアルに各ペリフェラルの詳細が記載されているので、ある程度マイコンが使いこなせるようになりより高度な機能の使いかたをしたい場合にはマニュアルを参照して機能を高めてください。

ペリフェラルを使いこなすということは、ペリフェラルライブラリを使いこなすことなのですが、それはライブラリがSPL(Standard Peripheral Library)でもHAL(Hardware Absolute Layer)でも同じことです。つまり、とりあえず当サイトで採用しているライブラリSPLで機能を理解するとマイコン機能の本質を理解することになるので、当然将来HALへの移植も問題ないでしょう。もちろんレジスタを直接操作できるようになるとライブラリは不要なので関係ありませんが。

ちょっとむずかしい話になりかけてしまいましたが、初心者のうちはとりあえず順にたどっていけば理解できるようになると確信しています。でははじめましょう。

これまで紹介してきた各ペリフェラルのサンプルプログラムなどの比較的単純な処理の場合は、処理ごとの内容をブロックに分けて、順次に実行させるだけでも用は足ります。

操作スイッチ、センサーなどによる入力、表示画面やモータなどへの出力などで構成したシステムでは、これらを使いこなすためのペリフェラルを使用した処理が複数組み合わさっています。システムを効率よく機能させるためにはこれら各処理を同時に実行させて、実行頻度や優先純度を任意に設定する必要がでてきます。

そこで、組み込みに適したOSを導入して各処理を管理することにします。この組み込みに適したOSはリアルタイムOS(RTOS)と呼ばれるものでいわゆるマルチタスクを簡単に実現できるようになります。

OSを導入するといっても軽いアドオンソフトのようなもので、ルールに従って一度パターンを構成すると、その後はアプリケーションプログラムごとに簡単に採用できるようになります。OSを使用しない場合に比べて、格段に楽に効率よく開発ができるようになりますのでできるだけ早い段階で導入することをお勧めします。

当サイトではリアルタイムOS(RTOS)の特に実践で必須の機能を抜粋して解説しています。実際のアプリで活用することを目的としていますので専門的な用語をあまりつかわず具体的な使用方法をプログラムで示しながら説明しています。視覚的に理解できるように努めていますので早期に使いこなせるようになってどんどん活用してください。

これまではマイコンを操作するための周辺インターフェースやマイコンペリフェラルについての解説をしてきました。プログラミングを中心に進めていくソフトウェア要素の多い部分です。

なにか、アイディアが浮かんで具体化するためには設計という作業が必要です。この章では設計の概念から最終の動作を確認できるところまでの手順を解説しています。

組み込み技術にハードウェアの知識・経験が必要になるのはとくにこの設計の部分です。正しく設計されたハードウェアがあってはじめてソフトウェアが活かされるのでここはしっかり設計のイロハを身につけてください。

IoTとはInternet of Thingsといったもので、いままでは製品がさまざまな分野で個々に独立して機能していたものが、ここ最近では有線、無線にかかわらず製品をネットワークに接続してちょっとしたリモート操作をしたり、インターネット回線を介して例えばスマホで製品の管理をすることも可能となってきました。

IoTの言葉そのままではなんやらすごく抽象的で実体がわかりにくいですが、ネットワークに製品をつなげることで、従来では考えられなかった発展性をもっています。今後の組み込み製品はIoTに対応することが必須であるといえるでしょう。

当サイトでは既存の組込みシステムを簡単にIoTに対応させることができる無線化モジュールをつかったものを紹介します。無線化モジュールはそれ自体にマイコンが内蔵されていて、WiFiプロトコルスタックやBluetoothプロトコルなどがシリアル通信だけで利用できるので比較的簡単です。

有線LANに関しては基本的にはマイコンそのものがイーサネット対応であることが条件でソフトウェアで構成される通信プロトコルスタックをどのように使用するかは結構ややこしく、STM32F1では対応していません。STM32F4シリーズあたりのEthernetに対応したマイコンとコード自動生成機能およびHALライブラリの開発環境を使用すれば比較的簡単に実現できますが、それでもソケット通信などプロトコル・スタックの基本的な使い方は知っておく必要はあります。

筆者の経験ではSTM32F1シリーズで製品化した既存のシステムをなんとかイーサネット対応にする必要性があったことから、外付けでイーサネット対応化するのに使用したのがWIZnet社のW5500というTCP/IPコントローラICです。このICにはTCP/IPプロトコルスタックがハードウェアとして内蔵されているので比較的簡単なコードだけで使用できるのが特徴です。通信インターフェースのSPIが使えれば実現できます。