現役エンジニア社長のめかのとろです。
この「実践で使えるARMマイコン入門」ではいろいろな種類のマイコンのなかでも特に組み込み開発の実践で使用されるARMマイコン（STM32）を電子工作等で使える実用的な機能を盛り込みながら使いこなせるようになるための解説を行っています。

マイコン操作が主体である趣味の電子工作向けでなく、組み込み初心者・未経験者に実務で組み込みエンジニアの即戦力として使える技能へスキルアップを支援することをコンセプトとしています。

紹介している内容は実際の組み込み機器製品に使用されているものです。受け売りの内容ではなく、実践で蓄積したノウハウに基づいたものですので、ここでものにしたスキルはすぐにでも実践で使えるものばかりです。

Arduinoの詳細に関しましては割愛しますが、いわずと知れた電子工作では巷で大流行のマイコン搭載システムです。ホビー向け用途の電子工作に最適でインターネット、書籍などの情報も豊富ですので初心者にとってはとにかく簡単にマイコンを使った電子工作を気楽に始めることができます。

利点は、工学の専門的な知識がなくても気軽にマイコンを使ったプログラミングで電子工作ができることです。レゴ®社のMindstorms®といったプログラミング商材がありますが、ちょっと遊び心があるところなど基本的なコンセプトは類似しています。プログラミングはC言語に似た専用のArduino言語によります。

似たような商材にRaspberry Piシリーズがありますが、これは電子工作用というよりOSも搭載した通信機能の充実したむしろ小型のPCであるためここでは取り上げません。

Arduinoではマイコンとハードウェアのインターフェース部分は隠蔽されてカプセル化されているため、ユーザーはハードウェアをあまり意識しなくてもシステムができてしまいます。つまり、レゴMindstormsのように出来合いのパーツを接続して、最低限のプログラミング知識でアプリを発展させていく感じです。視覚的なブロック等を組み合わせて小学生でもプログラミングできるのに対して、Arduinoは専用のプログラミング言語を使うところが違いますが、基本的に同じようなものです。

最近よく「Mbedではじめる電子工作入門」の類をよく目にするのですが、MbedはARM社がメーカーの垣根をこえたオープンな開発環境を提唱しているものであって、ARMマイコンに慣れたプロの開発者、企画者に適していて、電子工作用途ではArduinoでは物足らずARMマイコンでとくにIoTアプリを手掛けたい人にもよいと思います。

つまり、Mbedはさまざまな種類のマイコン開発の試作などを容易で有利にすすめるプロ向けか、ホビーの電子工作、学生の開発現場などに向いているように思います。マイコンの初心者には敷居が高いかもしれません。

このシステムの開発環境はクラウド上にあるため、どの端末からもUSBケーブルがあれば転送までできるのが特徴です。ARMマイコンをメーカーの垣根を超えて汎用的に使用できるのが最大の特徴ですが、そのためにもArduinoのようにハードウェア部分のインターフェースは抽象的なものに隠蔽されていて使用者はアプリのプログラミングに集中できるようになっています。

最大の利点は各メーカーの各マイコン仕様詳細を知らなくても、アプリの開発に集中できることで、試作等が簡単にできるために開発期間を短縮できることです。いいことづくめのようであるが、果たしてどうでしょうか。

電子工作であればインターネットに転がっている情報を中身を理解せずとも適応して動作ができればそれで済むはなしですが、最終的にマイコンを使って製品化する場合とは別の次元の話と考えたほうがよいです。組み込みエンジニアを目指すならば、従来どおり基礎的なハードウェアの知識とマイコンの仕様を読み取るスキルを身につけ、設計開発できるようになってほしいものです。

ハードウェアとマイコンとのインターフェース部分を抽象化して意識しないでもプログラミングできるMbedは組み込みマイコン学習には向いていません。抽象化したインターフェースを使うのはある程度マイコンのことを知ってからの方がよいです。ホビー用途なら問題ありませんが、製品開発には知識・経験のバランスが必要であるからです。

大手メーカーなどで専門分野ごとに分業するなら中身を知らなくても成り立つかもしれませんが、副業やフリーランスなど独立して仕事をする場合はなおさらです。モノづくりをするのにハードウェアを知らずしてソフトウェアのプログラミングだけで実現しようとすることはありえない話で、初心者がいきなり利便性だけでMbedを採用するとそこを勘違いするのではという懸念があります。

もう一つ、Mbedを使うには対応した専用のボードが必要です。裸のARMマイコンには使用できなく、どこまでいってもMbed専用ボードでシステムの評価に使用するのが条件です。

マイコンを使った組み込みの勉強を電子工作から始めたいけれどArduinoでは実用的とはいえないし、Mbedは抽象的すぎて敷居が高いし、何を選べが短期間に知識・経験が身つくのか迷っている人へのおすすめは当サイトが構成しているシステムです。

当サイトのシステムではメーカー提供（フリー、機能制限なし）の総合開発環境STM32CubeIDEにSPLを組み込んだものです。SPLはStandard Peripheral Libraryと呼ばれる、STM32マイコンを使うのに使用する従来型のライブラリで現在、新製品マイコンにも対応しているHALライブラリに対するものです。SPLはマイコン本来の煩雑なレジスタ操作によっていろいろな機能を実現するところを、開発者がわかりやすくパラメータで指定できるだけですむようにコード化したライブラリです。

従来では各マイコンの何百ページにもわたる取扱説明書を解読しながらレジスタ操作してプログラミングするところをコード化したライブラリだけを使って開発できるので初心者でもマイコンが扱えるのです。このSPLは取説に記述しているレジスタの内容をわかりやすくコード化したものであるからシンプルで情報も豊富にあり、学習を始める初心者には最適です。

これに対して、現在メーカーが推奨しているHALライブラリはSPLに似ていますが、かなり抽象化されているため冗長な部分があってちょっと中身を調べようとするとわかりにくいです。ただし、SPLを使った学習である程度STM32マイコンに慣れてしまったあとでは、基本的に類似しているHALを扱うのは容易です。いきなり抽象的なものから学習するのではなく地に足のついたSPLで基礎を固めてから次に進むほうが後々つぶしが効くと思います。

メーカーはより便利で開発を有利にすすめるツールを奨励するものですが、HALはある程度基礎のあるベテランは積極的に採用すべきものだと考えます。

Arduino、Mbedでの開発環境に共通したものはオブジェクト指向の流れで手軽にマイコン開発ができるようにハードウェアとのインターフェース部分を抽象化していることです。これにより、開発者はハードウェア仕様に関わらないですむためにアプリ本体の開発に集中できることが特徴です。

これはIoTが普及するようになり、アプリケーションにソフトウェアの占める割合が増えたことによりこの傾向が強まってきた感はあります。パラダイム・シフトによりモノづくりがハードウェア寄りであったものからソフトウェア寄りになったような感じさえうけます。

が、しかし、実際のモノづくり開発現場では基本的には従来とは何も変わっていません。
従来のものにマイコンが付加され、最近ではそれにさらにIoTが付加されただけであってモノづくりの基本はハードウェアあってのものであることが今後変わることはありません。

むしろ、ソフトウェア（プログラミング）の部分は将来的にAIにとって代わられるかもしれません。

なんでも抽象化によりモノについての知識がなくても、使用者がモノを扱える傾向は今に始まったことではなくマイコン開発業界に限られず、いまではPC、スマホ、自動車等を使用するにあたっては中身を知らなくても簡単に扱えます。

ペリフェラルライブラリだけを使用する場合はレジスタマップを意識する必要はありませんが、マイコンのレジスタがライブラリ内でどのように操作されているか理解することはマイコンのスキルアップにつながります。

見方を変えると、ライブラリを使用しないでレジスタを操作できるようなレベルになると、各マイコンメーカーの提供するライブラリやツールに頼ることなしに開発ができるので最強です。

ここではペリフェラルライブラリがどのようにペリフェラルの制御レジスタを操作しているかを見てみましょう。ペリフェラルライブラリをブラックボックスとして仕組みを理解しなくてもマイコン開発は可能です。しかもレジスタの操作を理解することは入門者とくにプログラミングにあまり慣れていない人にはとても難解と思われるのでとばしてもらってもかまいません。

マイコン上級者ともなりメーカー作成のライブラリに頼らず直接レジスタを操作できるとプログラムコードも小さく処理速度を向上させたアプリケーションを作成できるようになります。必須のスキルではありませんが必要に応じて使えるようになればより応用力がつき強力なスキルとなるでしょう。

前章において汎用入出力GPIOA_1ピンをペリフェラルライブラリによりプッシュプル出力に設定した仕組みをたどっていきましょう。

ペリフェラルのメモリマップを示します。この中でGPIOポートAのメモリ上のベースアドレスは32bit表記の0x40010800です。

実際のプログラムでライブラリがどのような機能をしているかを確認していきましょう。

構造体でまとめられている部分の詳細を確認してみましょう。パラメータは分類ごとに構造体によりまとめられています。

それではレジスタアドレスと設定パラメータが初期化関数GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure)でどのような処理が行われてレジスタを操作しているかを解説してみます。

実際のプログラムはGPIOライブラリ本体stm32f10x_gpio.c内のGPIO_init()関数の部分ですので余力のあるひとは確認してみてください。

以上が初期化関数GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure)で行われる処理です。

ペリフェラルの初期設定ではGPIOに限らず該当する制御レジスタのアドレスを特定して、設定したいパラメータを書き込むことをペリフェラルライブラリ（デバイスドライバ）を使ったり、レジスタに直接書き込んだりして設定するわけです。

ペリフェラルライブラリは制御レジスタを知らなくても簡単に使いこなせてしまう便利な反面、冗長な部分もありますので、プログラムコードサイズを小さくし、より処理速度の向上を追求する場合には直接レジスタを操作する必要がでてくる場合があります。

処理速度もプログラム格納のメモリサイズも十分な高性能なマイコンを使うのであればより便利なペリフェラルライブラリだけを使って開発はアプリケーションに集中するのもいいかもしれません。

仕様書にある周辺機能（ペリフェラル）の制御レジスタを簡単に設定できるようなドライバがペリフェラルライブラリです。これ以降、実際に当サイトでとりあげるマイコンをもとに具体的な解説をすすめていきます。以後周辺機能はペリフェラルと呼びます。

ターゲットマイコンのモデルタイプはARM　Cortex-M3マイコンのSTM32F103RBです。STM32F103RBマイコンの仕様表を示します。このマイコンはシリーズのミディアムパフォーマンスラインモデルです。

STM32F103RBマイコン内部は複雑ですが、簡略化すると下図のブロック図のようになります。

CPUとメモリ類はAHB（高速転送バス）で接続されており、一方ペリフェラルはAPB（高機能周辺回路バス）で接続されています。APB（Advanced Peripheral Bus）はAPB1とAPB2の2つに分けられており、APB1には低速なペリフェラルが接続されており、APB2には高速なペリフェラルが接続されています。

ペリフェラルは使用する機能だけ選択してONにし、使用しない機能はOFFにすることで消費電力を押さえることができます。

ピン配置を下図に示します。図の見方ですが、左下PA1（15）のピンはGPIOのポートAの1番目、つまりGPIOA_1を意味します。PA1のピンには汎用入出力以外にも複数の機能を共有しています。設定の仕方は後ほど詳しく説明します。

ARMマイコンが性能の割に消費電力が低いのは使っていない部分をきめ細かくOFFできるからです。
各ペリフェラルは個々にON/OFFの切り替え設定ができます。これは自動で行われるのでなくプログラム作成時に機能選択します。 

総合開発環境でライブラリは下図のように収められています。このうち「CMSIS」フォルダはARMマイコンコア用のライブラリです。基本的に操作することはないと思います。

このフォルダツリーで「STM32F10x_StdPeriph_Driver」フォルダ以下のファイルが各ペリフェラルのライブラリ群でSPL（Standard Peripheral Libraries）です。内容を確認してみるとライブラリ内にはC言語で記述された関数が機能設定ごとに複数定義されています。この関数が制御レジスタを操作しており、関数に与えるパラメータがマイコンのもつ各ペリフェラルの設定値となるのです。

名称がSTM32F10x_なのでこのライブラリはSTM10xシリーズマイコンが対象であることを意味しています。STM32F4シリーズなど仕様の異なるマイコンには使用できずその都度仕様にあったプロジェクトを新規作成して相当のライブラリを使用する必要があります。

ペリフェラルライブラリのファイルを以下の表に示しますがとりわけよく使われるものを太字で示しています。使用するペリフェラルのライブラリの本体はstm32f10x_xxxx.cとヘッダファイルstm32f10x_xxxx.hで関数が機能設定ごとに定義されています。

ペリフェラルライブラリの各種関数を呼び出すためにはstm32f10x.hをアプリプログラム内にインクルードしておく必要があります。

ペリフェラルライブラリにはペリフェラルごとに多くのヘッダファイルがありますが、それらはstm32f10x.hから呼び出されるようになっているため、stm32f10x.hをインクルードしておくだけでペリフェラルライブラリの機能全体を使用できます。

ヘッダファイルstm32f10x.h自体は「CMSIS」フォルダ以下「Device」-「ST」-「STM32F10x」-「Include」にあります。

例えば、ライブラリの中でGPIOのヘッダファイルはstm32f10x_gpio.hでライブラリ本体はstm32f10x_gpio.cです。

ここで、ペリフェラルを使えるようにするためのフローチャートをGPIOAのPin1をプッシュプル出力に設定する例で示します。ここでは設定の内容は理解できなくてもよいので流れを掴んでください。

初期状態ではペリフェラルはOFF（クロックが供給されていない状態）なのでONにするためにクロックを供給します①。次に初期化変数に初期値を設定してから②、初期化を実行します③。ペリフェラルによっては、別途起動④やキャリブレーション⑤が必要となります。
こうして、ペリフェラルは初期化を終えた段階になってアプリケーションプログラム内で任意に使用できるようになります。

初期化を設定してからクロックを供給しても設定は反映されません。
ペリフェラルの初期化変数はGPIOの場合はGPIO_InitTypeDef型の構造体変数で初期化を実行するGPIO_Init関数にパラメータを渡しています（②の部分）。GPIO_InitTypeDef型の構造体変数はライブラリstm32f10x_gpioのヘッダファイルstm32f10x_gpio.hの中で定義されています。

他のペリフェラルも同様にライブラリの中で定義されています。ペリフェラルの中でもタイマなどは高機能のために、初期化変数は機能ごとのグループ数種類に分かれた構造体変数となっています。設定するパラメータも多種類にわたります。詳細は各ペリフェラルで解説します。

ペリフェラルをONさせるにはクロックを供給することは前述しました。低速なペリフェラルにはバスAPB1が接続されて、高速なペリフェラルにはバスAPB2が接続されているため、ペリフェラルのクロック供給も対象のバスのもので行います。バスAPB1とAPB2に接続されているペリフェラルの定義されたマクロ名をそれぞれ下表にまとめました。

各ペリフェラルはAPB1に属するものはRCC_APB1PeriphClockCmd関数、APB2に属するものはRCC_APB1PeriphClockCmd関数を実行し、クロックを供給しON/OFFを設定します。”ENABLE”でON、”DISABLE”でOFFとなります。

各ペリフェラルの制御レジスタにはたくさんの機能が割り当てられています。例えば、GPIOでは入力と出力の仕様選択、入力の場合は扱う信号によりアナログ、プルアップ、プルダウン、デジタル電圧入力の4種類の信号仕様選択などがあります。

制御レジスタはメモリの一種ですので各々設定するレジスタにはアドレスがあります。STM32マイコンでは32ビットのアドレスで、例えば、具体的にはGPIOAのピン1の入出力仕様を選択するレジスタはGPIOA_CRLでアドレスは0x40010800です。この特定されたアドレスのレジスタに上記の仕様機能が割り当てられていて、デジタル値の0(OFF)と1(ON)の組み合わせで指定するのです。

マイコンはデジタルシステムで多数のスイッチを組み合わせて機能するものですので制御レジスタに0と1を書き込むことで仕様を選択できるのです。

マイコンにはさまざまな周辺機能（ペリフェラル）が内蔵されています。代表的なものに汎用入出力GPIOがありますがマイコンの各ピンに入出力の機能詳細を定義するためにはGPIO制御レジスタを設定する必要があります。

マイコンのリファレンスマニュアルにはレジスタ詳細について記述されていますが、このマニュアル通りにレジスタ設定のプログラムを作成していくことは慣れているひとでも大変です。マイコンを使った組み込みエンジニアはアプリケーション作成が重要なのであって、各社種々あるマイコンのハードウェア寄りの部分の理解と設定に労力を費やしたくはありません。

そこで、マイコン各メーカーはハードウェアの操作を行うためのデバイスドライバとしてペリフェラルライブラリであるファームウェアを用意しています。このため、一度、使用するマイコン機種のハードウェアに依存する部分であるペリフェラルライブラリ（デバイスドライバ）の使い方を把握すると、後はアプリケーションの開発だけに集中できます。

組み込み機器によってはファームウェアによらず制御レジスタを直接設定することにより、プログラムサイズを小さくしたり、応答速度などのパフォーマンスをあげたりすることができますので組み込みスキルがあがり慣れるにしたがって、挑戦してみてはいかがでしょうか。

比較的簡素で単機能な組み込み機器である場合は、デバイスドライバとアプリケーションソフトだけでソフトウェアは構成できますが(構成A)、モニター表示しながら通信を同時におこない、さらにモーターを駆動するような多機能な組み込み機器では同時に並列で色々な機能を動作させたいので、このような場合はOS（Operation System）が必要となってきます（構成B）。

組み込み機器ではリアルタイムでの制御が必要となるためRTOS（RealTime Operation System）を使用します。さらにEthernet通信などを組み込む場合などはソフトウェアの通信プロトコルスタックを搭載させる必要がでてきますがこのようなソフトウェアをミドルウェアといいます（構成C）。

アプリケーションはシステム構成内では最上位にあたるプログラムですが、これはハードウェアにまったく影響を受けない部分ですのでどの種類のマイコンでも使用できます（多少の修正は必要な場合はあります）。ただし、ビット数の異なるマイコン（32bitマイコンから8bitマイコンへ）間ではそのままでは互換性はないと認識してください。

当サイトで採用するマイコンはARM Cortex-M3コア搭載のSTM32F1シリーズでファームウェアはStandrd Peripheral Library(SPL)と呼ばれているペリフェラルライブラリ（デバイスドライバ）を使用します。

メーカーでは技術の進歩に合わせて新しく高性能のマイコンを開発、リリースすると同時に開発環境も更新していきます。当然、ファームウェアも更新していくわけですが、ファームウェアはSPLからHAL（Hardware Abstraction Layer）とよばれるライブラリに移行している段階です。

HALの特徴はSTM32マイコンからの移植性も考慮した抽象度の高いドライバで開発期間を短縮できる利便性を追求したものです。今後はSTM32マイコンではHALを中心に開発を進めていくことになるのでしょうが、プログラムコードサイズは大きくなりブラックボックス的な要素があります。

マイコンの基礎を理解したうえで使用するにはよいのですが、これから組み込み技術の習得を目指すものがHALから始めると表面的なところは理解できてもつぶしが効かない知識のみが残るといった事態にもなりかねません。

当サイトは組み込み技術の入門者向けのため、あえてHALは使用せずSPLで進めていくことにします。SPLはシンプルで制御レジスタとの関連がわかりやすいマクロとなっており、プログラムのコードサイズも比較的小さいものです。

SPLのもう一つの利点は使用するにあたっての情報が豊富なことです。インターネットであれば大概の使い方の情報や使用応用例は取得できます。集中的に学習するとマイコンの使い方自体はすぐにでも身につくのではないでしょうか。

大事なのはその先のシステム設計を含めシステムのすぐれたアプリケーションを構築するまでのスキルですが、それはどのマイコンシステムでも普遍のスキルです。SPLはマイコンの概念的なところが理解しやすいので学習には向いており他のマイコンシステムに移行するにもスムーズであると思います。組み込み技術の基礎スキルを身につけて、応用に活かすことが本サイトの趣旨であることを常に心がけておいてください。

マイコンの学習にあたって、一番の近道は自分で実際にマイコンを操作して、動作を確認しながら行うことです。当サイトで解説しているものと同じ動作環境であれば、特に初心者が最も苦労し、時間を要する実装への試行錯誤の行程を大幅に短縮できすぐにでも実機にて学習を開始できますので、マイコンの操作は最短期間で身につけることができるようになっています。

当サイトで教材として使用するボードはARM Cortex-M3コアSTM32F103RBを搭載したNUCLEO-F103RBで行います。これ以外のSTM32シリーズのマイコンでもよいのですが、マイコンの仕様に合わせてカスタマイズする必要があり、初心者の場合はそこで挫折してしまいかねません。特に、マイコンを初めて扱うひとには当サイトで紹介する教材ボードを使用して学習することをお勧めします。教材のマイコン操作に慣れたころには、他の仕様のSTM32マイコンへは容易に移植できるスキルが身についているでしょう。

NUCLEO-F103RB以外のSTM32マイコンが搭載されているボードでは、特にSTM32F1シリーズマイコンの場合は、互換性があるため同じSPL（Standard Peripheral Library)が使用でき、プロジェクト作成時に相当のMPUを選定して、SPL内で指定するシンボルや動作クロックなどの設定をボードに合わせて多少カスタマイズする必要はありますが、比較的簡単に使用できるようになります。

STM32マイコンでもSTM32F1シリーズでない場合、例えばCortex-M4コア搭載のSTM32F4シリーズではF4シリーズ専用SPLを使用する必要があり、当サイトで使用しているF1シリーズのSPLとは互換性がありませんので、そのままでは使用できません。STM32F1シリーズのマイコンで基本を理解したあとでは、移植もそんなに難しいものではありませんので使えるようになりますが、慣れないうちはF1シリーズで、特に当サイトと同じ環境のNUCLEO-F103RBを使用することをおすすめします。

STM32F4などはCortex-M4を搭載していて、STM32F1(Cortex-M3)の上位機種となり、動作クロックも高く、浮動小数点演算機能をハードウェアで実現できたり高性能・高機能ではありますが、初心者の学習目的ではSTM32F1で過不足はまったくありません。また、STM32F4は当サイトで学習用として奨励しているSPLでも機能させることはできるのですが、性能・機能を活かすためにはできるだけ最新のライブラリであるHAL(Hardware Abstruction Layer)ライブラリを使うほうがよいため、F1シリーズで慣れてから上位機種を選ぶことをおすすめします。

教材ボードにはターゲットマイコンとしてSTM32F103RBが搭載されています。外部クロック発振源として水晶振動子8MHzを搭載しており、システムクロックは72MHzとしています。通常のアプリケーションでは十分な処理速度です。

Nucleoボードはデバッガ用ST-Linkを内蔵していますのでUSBケーブルのみで学習を開始できます。

このボードはSTエレクトロニクス社のNUCLEOシリーズでSTM32F1マイコンを搭載したものです。NUCLEOシリーズの特徴はARM Mbed開発環境に対応した基板であることに加えて、電子工作で大人気のArduino Uno Rev.3と互換のIOピンヘッダを搭載しているので電子工作でArduinono対応の数多い資産を利用することができます。

以下に、教材マイコンボードの仕様を示します。
プログラム転送や学習のためのマイコン動作をちょっとした軽負荷で動作確認するだけであればボードに内蔵のST-LINKへUSBケーブルを介して電源が供給されますので外付け電源は不要です。

ボード上にはヘッダピンとソケットがありますが、外側のヘッダピン(CN7/CN10)がSTMマイコン直結のMorphoコネクタとよばれるものです。内側のソケット(CN8/CN9)はArduinoに互換なのでこのボード自体をArduinoの互換機として開発もできるし、Arduino用の外付けシールドなどを活用することもできます。当サイトではArduinoの開発のことは割愛します。

下記にSTM32F103RBのピン番号をそれに対応する機能をまとめました。このピン番号はマイコン自体のものであってNulecoのMorphoコネクタの番号ではありませんのでご注意ください。例えば、CN7の１番目は"PC10"であるからSTM32F103RBのピン51に直結しています。

下記のピン定義表からこのピンはデフォルトでは汎用入出力Cポートの10として入力か出力で使用することができますが、リマップするとUSART3_TXで使うこともできるようになります。

通常、C言語のプログラミングを学習するためには、
例えばWINDOS上で動作するC言語の開発環境として、Visual Studio等開発環境を構築してプログラミング学習を行います。

プログラムの実行環境と開発環境が同じため、ちょっとした演算などの実行結果はprintf文を使ってモニター表示で確認しながら学習をおこなうことができます。

この方法は学習目的がWindowsアプリの作成などはっきりとしている場合には有効で学習しながらスキルアップも図ることができるのですが、単にC言語学習だけが目的の場合では具体的なプログラミン学習のカリキュラムがないとモチベーションが持続しないかもしれません。

この方法の利点はPCだけでC言語を学習できることですが、コンパイラがマイコン用ではありませんので、マイコン用C言語コンパイラに適用する場合は変数の型など仕様変更が必要です。

これに対して、教材ボードを使用したC言語学習を行う方法もありますので紹介します。

教材ボードにPCとシリアル通信できる環境を構成すると、実際のマイコン内で動作するC言語によるプログラムをPCにモニター表示できるようになるので実践的なC言語プログラミングとマイコン操作の学習を同時に行うことができるようになります。プログラム実行環境(マイコン)と異なるシステム（PC）で開発をおこなうクロス環境と呼ばれるものです。

環境構築に必要なものはPCの他に、教材ボード（マイコン）、USB-UART変換ケーブルおよびST-Linkデバッガと呼ばれるものです。PCだけではC言語学習ができないのはデメリットですが、これからマイコンを始める人にとってはマイコンを直接操作するC言語の動作を確認しながら学習できるのは大きなメリットとなります。また、C言語のコンパイラがSTM32マイコン用のものですので、学習して慣れたものがそのまま実践で使用できるのも大きなメリットです。

市販のマイコンボードでSTM32F1xx（Cortex-M3)シリーズが搭載されているものは当サイトの内容を一部実践で動作確認することに使用することができます。

ただし、当サイトで使用するアプリケーションプログラムは指定の教材ボード (NUCLEO-F103RB) 用ですので搭載しているマイコンやクロックの仕様に合わせて変更することが必要です。

市販の教材ボードを選ぶにはマイコンがSTM32F１xxシリーズが搭載されていることと、SWDデバッガ用ピンPA13とPA14が使えるものが条件です。

教材ボードの入出力用部品を接続するのにははんだ付け不要のブレッドボード、ジャンプワイヤを使用すると便利です。ジャンプワイヤのコネクタはブレッドボードには基本的にオスーオスタイプを使用しますが、ほかにオスーメス、メスーメスタイプもあります。

入出力用パーツとしては押しボタンスイッチ、LED、抵抗器などがあればよいのですが、最近では電子工作入門キットとしてある程度まとめられたものが販売されています。抵抗器は330Ω程度のものと、1kΩ程度のものを使用します。詳細は「アプリケーションと実践」章の各アプリで使用する配線図にあります。

外付けの部品を使用しないでプログラムの動作を確認するだけであれば、プログラム転送用デバッガST-LINKから電源が供給されるので外付けの電源は不要です。通常はPCのUSBバスパワーからの電源で300mAまで供給でき、ST-Linkデバイス側で保護回路によりUSB電流を管理しています。

電源電流が300mAを超える負荷のかかる入出力の部品を装着する場合は外付け電源(DC5/7-12V)が必要です。
例えば、WiFiモジュールでの通信を行う場合などUSBポートからの電源では不足気味の場合は外部から５V電源を供給すると安定します。

Nucleoシリーズのボードへの電源供給はUSBポートからのUSBバスパワーの他に、外部電源を供給することができます。５V外部電源の場合（最大500mA)はE5V(CN7-6)へ、７~12V外部電源（最大800mA)の場合はVIN(CN7-24またはCN6-8)へ接続します。外部電源を使用する場合はボード上のジャンパピンJP5をE5V側に設定すると有効となります。

ただし、ジャンパピンJP5をE5V側に設定するとUSBの電流保護回路が切断され機能しない状態となり最悪PCのUSBポートにダメージを与える恐れがあるため、電源の投入順序を守ることが重要です。

マイコンの学習を始めようとしてマイコンを選択した後の課題がマイコンの開発環境についてです。

具体的には以上のことではないでしょうか。
筆者も組み込みを始めた当初、マイコンをSTM32にターゲットを絞り、具体的に開発するためのツールに関する情報を集めるには結構苦労しました。

マイコンSTM32シリーズの開発環境は世界的に見ても人気のあるマイコンのため選択肢がないのではなくむしろ多すぎるため自分に最も適した開発環境がどれかを絞ることが難しかったからです。

今でも開発環境についての情報は便利なツールも含め更にふえたので入門者ではどれから始めたらよいのかますます困難でしょう。これまで筆者がたどってきた選択のポイントを顧みながら今では当面はこれを使っておけばよいといったものを紹介しましょう。

筆者は使用制限のない開発環境を構築したくフリーの総合開発環境のプラットフォームであるEclipseをベースにしたSTM32開発環境の構築もしてきました。自由度があり一度安定したものは自己満足感満載で使いやすくよかったのですが、マイコン仕様変更の際にはプロジェクト再構築やコンパイラの指定などが結構煩わしくとにかく手間ひまかかりました。

手作りで開発環境を構築するのが趣味であればよいかもしれませんが仕事や学習などを優先させたい場合は貴重な時間を技能習得などに割くべきで開発環境を自分で構築するのは避けたほうがよいでしょう。

STM32シリーズでは以前よりスタンダードペリフェラルライブラリ（SPL）と呼ばれるファームウェアライブラリが利用できます。このライブラリはよくできており、インターネット、書籍でも解説記事は多いので使い方に関しての情報は十分取得できます。ハードウェア寄りで具体的なものだからマイコンの学習にはこちらをすすめます。

対して、最新の開発環境ツールではファームウェアライブラリは最新のマイコンにも対応できるように一新（SPLに対してHAL、LLと呼ばれるライブラリ）されているため、今後新しいマイコンの新規開発ではこちらを使うべきなのですが、HALとLLファームウェアライブラリのまとまった解説情報はあまりない状況です。

また、HALコードは抽象化されているためSPLで理解したあとで使用することをすすめます。今後はこちらが主流となるため、解説記事なども増えて使いやすくなるのでしょうが、入門者には敷居が低くなったようにも見えますが向いていないように感じられます。SPLでマイコンの基礎を十分に身に着けてから使用するとHAL、LLには容易に移行できますのでまずじっくり腰を据えて基礎固めに徹してください。

実際のところツールになにを選べばよいかの話に戻りますが、STM32専用開発環境のIDE（総合開発環境）がよくSTマイクロ社公式のIDEであるTrueSTUDIOが最強です（正確にいえば最強でした）。Eclipseベースでとても使いやすい環境です。機能制限がなく、コンパイラからデバッガまですべてオールインワンでプログラム作成からプログラム転送まで簡単に実現できる開発環境です。

このIDEとの組み合わせで視覚的に周辺機能などの機能を選択するとコードを自動生成してくれるアプリであるSTM32CubeMXもありますが学習段階では自動生成は使う必要はないでしょう。

この原稿を作成している現在は、IDEのTrueSTUDIOと自動生成ツールSTM32CubeMXを統合したSTM32CubeIDEがSTマイクロ純正のIDEとして主流となっています。同時にTrueSTUDIOは新規開発には非奨励対象となりました。

STM32CubeIDEはコード自動生成などの最新のツールも含まれています。ただし、生成されるコードはHALライブラリですのでファームウェアライブラリSPLが使用できる開発環境でSTM32の基礎技能を一通り習得した段階でこのツールを使うと大いに便利でしょう。

いきなりすべての機能を使いこなすのは困難でツールに振り回されます。最新ツールを使うのはインターネットで使いこなすための十分な情報がでるようになってからでもよいでしょう。楽しみはあとにとっておいてください。

マイコンへのプログラム転送書き込みでは数種類の方法があるなかでSWD方式のST-Link/V2を使用します。詳細は「開発環境構築」および「実装」で解説します。当サイトで教材ボードとして使用するNUCLEO-F103RBにはST-Link/V2が含まれています。

ここでは、このサイトの教材(Nucleo-STM32F103RB)を使用するための開発環境として、SPLおよびFreeRTOSを組み込んだ仕様を構築します。STM32CubeIDEの開発環境仕様として最も軽快なものではないでしょうか。

初めの手間はかかりますが、一度プロジェクトを構築して無事動作すればアプリごとに転用できます。
このサイトでは使用しませんが、STM32CubeIDEにはコード自動生成機能もありますので、ある程度慣れてきてから挑戦してみてはいかがでしょうか。

STM32マイコンの開発環境として使用するSTM32CubeIDEのダウンロードからインストールまでに関しましてはインターネットで十分な情報が得られますので詳細は割愛します。インストール半ばでST-Link関連のコンポーネントチェック選択箇所がありますのでチェックを入れておいてください。SEGGER-Jlinkドライバは使用しないのでチェックを外しておいてもよいです。

Cコードでのソース・ファイルが完成したあとはビルド(build)を行い、コンパイル・リンクを経て実行ファイルを作成します。
メニュー「Project」-「Build Project」の順にクリックすると実行ファイルまで作成してくれます。

コンパイルとはCコードで記述されたソース・ファイルをオブジェクトコードのファイルに変換することです。変換されたファイルの拡張子は.oで、プロジェクト内の「Debug」フォルダ内に格納されます。

エラーもなくビルドが無事成功するとプロジェクトツリー内で「Binaries」フォルダが作成されて拡張子elfのファイルがあるはずです。同時に拡張子binのバイナリ実行ファイルも作成されています。ここまでくれば後はデバッガST-Linkでマイコンに実行ファイルを転送するだけです。

ビルドで作成された実行ファイルをマイコンのフラッシュメモリに転送（書き込み）して初めてマイコンが機能するようになります。転送用ツールはST-LINKデバイスを使用します。

マイコン側とデータのやり取りにARM通信規格のSWD方式を採用しています。SWDとは2本の信号（SWCLKとSWDIO）でデータを書き込む方式です。

転送用ツールのST-LINK(V2)はPC側にはUSB、マイコン側にはSWDの信号線2本およびGNDの合計3本を接続すれば構成は完成です。ST-LINKはV1ではSTM32CubeIDEで機能しないためV2以上が必要です。

以上で、STM32マイコンの開発環境構築からプログラム転送まで解説してきました。あとは実際に動作させてみて順調に転送書き込みが正常に完了するまである程度の試行錯誤を繰り返しながら経験してみてください。

プログラムも含めて、初回で転送まで成功することはないものですが、なんらかの不具合には必ず原因がありますので、自力で原因を探しあてて解決できるようになるのもスキルの一つです。

STM32CubeIDEの具体的な操作方法（コンパイラ・ビルドおよび転送方法）に関しましては、ここでは詳細は解説しませんが、これに関しましてはインターネットで豊富な情報がありますのでそちらを参考にしてください。STM32CubeIDE はeclipseベースですのでeclipse関連の情報が役に立つのではと思います。

組み込み開発環境でよく使われる用語について解説しておきます。知っておかなければならない用語でもないのですが、よく耳にする言葉なのでいちど理解しておいてください。

セルフ環境とは開発環境と実行環境が同じもので例えばPCでVisual C#などをつかってアプリケーション開発を行う環境です。対して、クロス環境は開発環境と実行環境が別でそれ自体に開発環境を持たない組み込み機器で動かすアプリケーションを別のパソコン上で開発する環境のことです。組み込み機器ではさまざまなCPUやOSが使用されるためクロス環境で開発が行われます。

マイコンといっても8ビットでDIPタイプ（多数の金属製接続端子が下方へ伸びたタイプ）や32ビットの表面実装タイプなど性能、価格がさまざまな種類のものが数多くのメーカーから発売されています。

この中からどれを選ぶかは簡単な答えはないのですが、自分の目指している方向性に適しているマイコンを選択するのも一つの方法です。比較的単純なマイコン電子工作だけをしたいのならば8ビットのマイコンで十分で、シリアル通信や産業用モータドライブ、さらには将来的にIoTに発展させたい場合は高性能なマイコンが必要ではないでしょうか。

ファームウェアというものはマイコンの各種機能を操作・設定するレジスタを意識することなくいわばおいしいところだけ利用できるように体型よくまとめたものをC言語で利用できるようになったライブラリです。デバイスドライバともいいます。

ファームウェアを使用すると必要な機能、例えばシリアル通信機能の設定パラメータであるボーレートなどをファームウェアの規則にしたがって記述すればよいだけです。ファームウェアの内部でパラメータがレジスタに設定されるようになっているのです。

話はファームウェアライブラリのほうへそれましたが、STM32には開発支援のための情報などが豊富に存在するため、自分だけが悩み先にすすめなくなるような可能性が低いと思います。

採用マイコンは高機能であるゆえに設定項目も多いですが必要に応じて選択できます。搭載されている機能を習得すればほぼ大部分のアプリケーションに応用つまりつぶしがきくようになります。 
それではSTM32シリーズのマイコンを手にして組み込みの世界に入っていきましょう。

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。