IoT 開発に最適な MCU アーキテクチャを選択する
マイクロコントローラ (MCU) とは何ですか？また、IoT デバイスでどのように使用されますか？
フィットネストラッカーが各ステップを記録する方法や、洗濯機が水位を感知する方法に驚いたことがありますか？MCUとして一般的に知られるマイクロコントローラーは、日常のデバイスに革命をもたらすコンパクトなコンピューターです。MCU は、1 つ以上の CPU（プロセッサコア）、メモリ、プログラム可能な入出力周辺装置を含む 1 つの集積回路上にある小型コンピュータです。これらの小さなチップは、データ収集、センシング、物理的世界の制御の手段として、手頃な価格で普及しています。
MCU は、自動車のエンジン制御や組み込み型医療機器からリモートコントロール、事務機器、家電製品、電動工具、玩具、その他の組み込みシステムに至るまで、さまざまなシステムに応用されています。これらはブリッジとして機能し、通信プロトコルとハードウェア抽象化レイヤーが対話し、デバイスを動作させる選択した RTOS/OS を実行できるようにします。
マイクロコントローラの一般的な機能
小型パッケージにパワーが詰め込まれたマイクロコントローラーは、組み込みデバイスにとって頼りになる存在です。どのようなアーキテクチャであっても、すべてのMCUにはある共通点があります。
- ビット数に基づく MCU コアアーキテクチャ： MCUで使用されるビット数（8、16、32）（ビット深度またはデータ幅とも呼ばれる）は、レジスタのサイズ（レジスタあたり 8 ビット）、メモリアドレスの数（28=256 アドレス）、32-ビットは理論的に最大 536 MBのデータに対応し、技術的にデータ効率を高めます。
- メモリ： MCU には 2 種類のメモリがあります。プログラムメモリ（フラッシュメモリ）は MCU 上で実行されるコードを格納し、データメモリ（RAM）はコードによって使用されるデータを格納します。
- 周辺機器と通信インターフェイス： これらの内蔵ツールにより、マイクロコントローラは温度の検知やモーターの制御など、外部と対話することができます。セキュリティ：MCU セキュリティは、ファームウェアの知的財産の保護、デバイス内のプライベートデータの保護、サービス実行の保証にとって最も重要です。
8 ビットMCUとは何か、一般的な 8 ビット MCU アーキテクチャの例
8 ビット MCU は、1980年代から組み込み開発の中心的存在であり、32 ビット・アーキテクチャが普及た現在でも、 IoT 開発において重要な役割を担っています。最新の 8 ビット MCU のシンプルさとコスト効率は、エンジニアのツールボックスにおいて長年にわたって重要なツールであり続けることを保証します。
こちらは人気の 8 ビット MCU アーキテクチャの例です。
- PIC： 1975 年にGeneral Instruments（現在はMicrochip Technologyの傘下）によって開発されたPICチップは、数え切れないほどの玩具やリモコン、低価格のガジェットに電力を供給しています。
- AVR：Atmel によって開発され、ホビイストや専門家に愛されている AVR チップは、Arduino の基板の心臓部であり、誰でも電子機器にアクセスできるようにしています。これらはイノベーションの触媒であり、組み込みシステムで広く使用されています。
- 8051: 真のベテランである Intel が1980 年に開発した 8051 は、産業用アプリケーションと医療機器で活躍し、シンプルさと信頼性の永続的な魅力を強調しています。
Silicon Labs は、C8051 および EFM 8ビットのポートフォリオ全体の基盤として CIP-8051 コアを使用しています。このパイプライン型アーキテクチャにより、1 つのクロックサイクルで 80% 以上の命令を実行することで効率を向上させることができ、他の 8 ビット MCU よりも有利です。Silicon Labs の 8 ビット・オファリングに追加された最新の BB5 8 ビットマイクロコントローラのファミリは、3 のバリアントから構成されています。
- BB52：大容量メモリと最大 29 GPIO を備えたより汎用的な MCU
- BB51：機能とコストの大きな妥協点となるミッドレンジ MCU
- BB50：シンプルなアプリケーションでも使用できる、スモール・フォーム・ファクタのコスト効率の高いプラットフォーム
8 ビット MCU の利点
8 ビット・マイクロコントローラには、32 ビットのマイクロコントローラと比較していくつかの利点があります。こちらは、いくつかの最も重要な利点です。
- コスト： 8 ビット MCU は、最も手頃な価格の製品で、予算意識の高いプロジェクトやホビイストの実験に最適です。
- 消費電力： 8 ビット MCU は、32 ビットの複雑な同等製品と比べてシンプルで、消費電力が重要なシンプルなアプリケーションに最適です。
- コードサイズ： 8 ビット MCU は、コード・フットプリントを小さく保っており、これによりメモリが限られたアプリケーションに有利です。
- 使いやすさ： 8 ビット MCU は、簡単に学習し使用することができます。すぐに入手可能な開発ツールとオンラインコミュニティにより、ユーザーはすぐにコーディングを開始できます。
- 入手方法： 8 ビット MCU は、すぐに入手可能で豊富なオプションから選択できます。シンプルなロボットやスマートホーム・センサーを構築する場合でも、8 ビット MCU はアイデアに命を吹き込みます。
8 ビット MCU の欠点
8 ビットのマイクロコントローラは、手頃な価格とコンパクトなサイズで人気がありますが、高いビットのマイクロコントローラと比べるといくつかの制限があります。
- メモリ容量の制限：主な欠点の 1 つは、8 ビットのマイクロコントローラはメモリのスペースが限られていることです。これは、複雑なタスクの実行や大量のデータの処理を困難にする可能性があります。
- 処理速度： 8 ビット MCU は、命令セットが限られているため複雑なタスクを実行したり、大量のデータを処理したりする能力が制限されています。これは、リアルタイム処理または高速データ転送を必要とするアプリケーションにおいて、大きな欠点となる可能性があります。
32 ビット MCU と人気の 32 ビット MCU アーキテクチャとは？
ドローンで息をのむような空中映像を撮影したり、スマートスピーカーでお気に入りの音楽を完璧に再生したことはありますか？これらの一見魔法のような偉業は、32 ビット・マイクロコントローラを介して達成されます。これらを、複雑なタスクの処理、膨大な量のデータの処理、ハイエンドの代数演算と浮動小数点数学をサポートする、熟練した技術界の堅牢なエンジンとして考えてください。こちらは人気の 32 ビット MCU アーキテクチャの例です。
- ARM Cortex-M：ARM Cortex-M シリーズは、組み込みシステム向けに設計された 32 ビット・マイクロコントローラのファミリです。スマートフォン、ドローン、ウェアラブルの背後にあるパワーハウスです。
- PIC32: PIC32 マイクロコントローラは、Microchip Technology が開発した 32 ビット・マイクロコントローラのファミリです。産業オートメーションからロボティクスまで、PIC32s は要求の厳しいタスクに効率良く対応します。
- AVR32: AVR32 Atmel が開発した 32 ビット・マイクロコントローラ・アーキテクチャは、ユーザーフレンドリーな AVR の世界を 32 ビット・ドメインに持ち込み、ホビイストとプロの両方に最適です。
- RISC-V： RISC-V はオープンソースアーキテクチャ（ISA）で、RISC アーキテクチャファミリーの最新開発であり、シンプルでモジュール方式、拡張可能な設計となっています。RISC-V アーキテクチャは、そのオープンソースの性質によって人気が高まっており、柔軟性に優れカスタマイズ性が向上しています。RISC-V MCU は、組み込みシステム、IoT デバイス、高性能コンピューティングなど、さまざまなアプリケーションで使用されています。
すべての EFM32 および EFR32 シリーズ 2ワイヤレス SoC と MCU は、マルチコア Cortex-M プラットフォームを使用しています。最大 76.4 MHz で動作する当社の Cortex-M33 のほとんどは、ワイヤレスおよびアプリケーション開発のメイン・アプリケーション・コアとして機能し、2 キャプティブ M0+ コアは無線やセキュリティのサブシステムを動作させ、開発者にポートフォリオ全体で一貫したプラットフォームを提供します。このアーキテクチャにより、サブシステムはアプリケーションコアから独立して動作し、開発時間の短縮や製品ファミリー間の設計再利用の増加にかかわらず、基本的な柔軟性を提供します。ワイヤレスおよびスタンドアロンの MCU に AI/ML ハードウェア・アクセラレーションが加わることで、エッジで必要なインテリジェンスの追加に必要な時間と消費電力が削減されます。
32 ビット MCU の利点
32 ビット・マイクロコントローラには、8 ビットのマイクロコントローラと比較していくつかの利点があります。こちらは、いくつかの最も重要な利点です。
- 処理パワー： 32 ビット MCU は、高性能と電力効率を提供するための設計が施されています。8 ビットと 16 ビットの同等製品よりも高速でパワフルでありながら、エネルギー効率も優れています。32 ビット MCU は、より多くの RAM とフラッシュメモリを、より高いクロック速度で処理できます。これにより、FFT 計算、高品質のオーディオまたはビデオ、高解像度画像処理、さまざまなエッジコンピューティングアプリケーションなど、高性能コンピューティングを必要とするアプリケーションに最適です。
- メモリ： 32 ビットのメモリバスは、8 ビットのメモリバスよりも広いデータパスを提供し、単一クロックサイクルでより多くのデータを転送できます。これにより、データ転送速度が速くなり、 システム全体のパフォーマンスが改善されるため、高解像度画像、複雑なアルゴリズム、さらにはオペレーティングシステム全体さえも保持できます。
- サポートしている周辺装置： 32 ビット MCU には、周辺装置においていくつかのメリットがあります。EUSART、USB、イーサネット、CAN、SDMMC、統合 LCD コントローラなど、より高度な通信インターフェイスを提供します。これらの周辺機器は、IoT デバイス、車載システム、産業用オートメーションなど、多くの最新のアプリケーションに不可欠です。また、32 ビット MCU は、高精度測定を必要とする多くのアプリケーションに不可欠な、より高度なアナログ・デジタル・コンバータ（ 20 ビット ADC）、 12 ビット DAC、高度なタイマ、プログラマブル・カウンタ、高精度の内部 RC オシレータなどの精密な統合タイミング・コンポーネントを提供します。これは、高精度なタイミングとカウントを必要とする多くのアプリケーションに不可欠です。
- コーディング効率： 32 ビット MCU は、各サイクルにより多くの命令を格納できるため、実行が高速化され、消費電力が削減されます。これは、クロックサイクルごとにより多くのデータビットを処理できるためです。つまり、より少ない労力でより多くのことを処理できることを意味します。さらに、32 ビット MCU は、優れたコード効率を達成することができ、これは複雑な動作のための小さなプログラムに変換します。
- ライブラリとドライバーの可用性： 多様なライブラリや十分にメンテナンスされたドライバにすぐにアクセスできることは、効率的なソフトウェア開発とシームレスなハードウェア統合に不可欠です。開発者が既存のライブラリとドライバーを活用できれば、生産性が大幅に向上し、より良いユーザ体験を提供する堅牢なアプリケーションの作成に貢献します。
32 ビット MCU の欠点
32 ビットのマイクロコントローラは、パワーと汎用性において最高峰の地位を誇っていますが、万能なソリューションではありません。プロジェクトで使用する前に、以下のトレードオフを考慮してください。
- 消費電力： 32 ビット・アーキテクチャの複雑さが増すにつれ、最適な低消費電力動作の達成は、単純な 8ビット MCU よりもはるかに複雑になります。開発者は、より複雑なエネルギー状態を管理し、同様の消費電力指標に達するために周辺装置のトレードオフを行う必要があるかもしれません。
- 複雑性：32 ビット MCU は 8 ビット MCU よりも複雑であるため、プログラミングやデバッグが難しいことがあります。
- コードサイズ： 32 ビット MCU は、それほど複雑でない操作の場合8 ビット MCU よりもコードサイズが大きくなる可能性があり、メモリが限られているアプリケーションでは不利になることもあります。ただし、コードサイズは、製品開発に使用されるコード最適化ツールに大きく依存します。
まとめ：マイクロコントローラのアーキテクチャとプラットフォームを賢く選択する
IoT 開発の分野では、適切なプロセッサ・プラットフォームの選択が不可欠です。8 ビットおよび 32 ビット MCU は、それぞれ異なる課題に対処し、最新の IoT 開発の場となっています。
経済的で効率的という点では8 ビット MCU がチャンピオンです！コスト効率が高くコンパクトで、ワイヤレス IoT センサーなどのシンプルなタスクに最適です。32 ビット MCU よりも優れた電力効率により、電池駆動のデバイスにも最適です。
一方、32 ビット MCU は、8 ビット MCU よりも大きな処理能力とメモリを提供します。これにより、より高いパフォーマンスとより多くのメモリを必要とするアプリケーションに適しています。しかし、それは複雑さというトレードオフが伴います。
では、IoT 分野で勝利を収めたのは誰でしょう。ベーシックなタスクや予算に制約がある場合は、8 ビット MCU が良いでしょう。しかし、集中的なタスクのために堅牢なパフォーマーが必要な場合、32 ビット MCU が最強となります。賢い選択をすれば、コネクテッドワールドはそれに依存します。
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