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超低消費電力が最大の魅力 Arm® Cortex® -M3マイコン ADuCM3029

ADuCM3029はアナログ・デバイセズ(ADI)社のマイコン製品です。ADIは、DSPをはじめ、様々なタイプのプロセッサ製品をリリースしています。

超低消費電力で高評価

さて、ADuCM3029の最大の魅力は、"超低消費電力" であることが挙げられます。これを裏付ける根拠として、第三者機関であるEEMBCのULPBenchにて "245.5" という高得点を獲得しています。

ADuCM3029は、超低消費電力を実現しながら高精度なアナログ・ブロックを内蔵し、精密な制御と計測を可能にしています。また、IoTをはじめとする様々なアプリケーションにご使用いただけるマイコンとなっています。

M0よりM3の方が低消費電力

ADuCM3029のコアは、Arm® Cortex® -M3を採用しています。低消費電力マイコンというと、M0/M0+をイメージされますが、最近の傾向としては、M3/M4Fのコアが主流になっています。

IoTをイメージした時、計測データを全てホスト/クラウド側に送信するのではなく、センサノード側で演算処理/解析を行った後、結果だけを送信する要求が高まっています。処理内容にもよりますが、一般的に同じ演算をM0とM3で行ったとき、M3の方が演算時間を短くすることができると言われています。プロセッサパワーによりコアの稼働時間を短くし、トータル的にM3の方が低消費電力にすることができます。

そのため、最近では、M3/M4Fのコアを採用した低消費電力マイコンが増えており、その中のひとつがADuCM3029となります。

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図1:ADuCM3029の機能ブロック図

DC-DCの外付けが不要

ADuCM3029は、超低消費電力を実現するために、電源管理機構として、電源効率を高める降圧コンバータを内蔵し、電源監視機能も内蔵しています。そのため、電源管理システムが充実しているので、DC-DCの外付けが不要です。

さらに、単に低消費電力を求めただけでなく、セキュリティ機能(H/W暗号化アクセラレータ、乱数発生器 など)を搭載し、ユーザコードを保護する機構もサポート。内蔵メモリにはECC /パリティ機能を持たせ、システムの安全性を実現しています。

ADuCM3029の特長

  • 超低消費電力 Arm® Cortex® -M3 マイコン
  • 強力な電源管理システム搭載
    • 1.2V LDO内蔵
    • 低消費電力を実現する高効率Buckコンバータ内蔵
    • リーク電流低減のためのパワーゲーティング
    • 電源電圧モニタ内蔵(VBAT、VREG)
  • 内蔵メモリ
    • ECC機能付きFlashメモリ:256KB
    • キャッシュメモリ:4KB
    • Parity機能付きSRAM:64KB
  • 充実した安全性能とセキュリティ機能(詳細は 安全性とセキュリティ機能の実現 をご参照ください)
  • 豊富なペリフェラルとDMAエンジン搭載
    • SPI x 3、I2C、UART、SPORT(シリアルポート)、GP Timer x 3、WDT、RTC x 3、ビープ音発生器、乱数発生器、GPIO x 44(Max)
    • 25ch DMA(ペリフェラル-メモリ、メモリ-メモリ間)
  • 動作モードに合わせたシステムクロックを選択
    • 26MHz
      • 内部発振器(HFOSC)、外部水晶発振器(HFXTAL):26MHz or 16MHz
      • GPIOクロック入力可能(SYS_CLK_IN)
    • 32.768KHz
      • 内部発振器(LFOSC)、外部水晶発振器 / 外部クロック入力(LFXTAL)
    • PLL内蔵
      • 16MHzから26MHzを生成
      • プログラマブル分周器も搭載(24MHz、20MHz ・・・)

低消費電力を実現する4つの動作モード

ADuCM3029には、以下の4つのモードが準備されており、システム要因に合わせ動作モードを組み合わせることができます。

1. Activeモード: < 30uA/MHz

  • 全ての機能を有効にしてフル稼働(Flash/SRAMから命令を実行)
  • 省電力化オプションも準備
    • 動的クロックスケーリングにより、動作クロックを下げ消費電力を低減
    • 無効なペリフェラルに対し、自動的にClock gatingを適用 など

2. FLEXモード:< 300uA

  • コアのみを停止(コアに対するClock gating)、ペリフェラルは使用可能
  • ペリフェラルとメモリ間はDMAを使用し、バックグランドでデータ転送可能

3. Hibernateモード: < 750nA

  • コアとデジタルペリフェラルの電源停止
  • 設定したSRAM領域、GPIOピンの内容保持
  • 外部からのWakeUp割り込みにて復帰、有効なRTCのみ使用可能

4. Shutdownモード: < 60nA

  • 全てのデジタルとアナログ回路の電源停止(SRAMの保持なし:復帰後PORを実行)
  • RTCおよびWakeUp割り込みのみ動作

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図2:ADuCM3029の4つの動作モード

安全性とセキュリティ機能の実現

IoTにて要求されるセンサノードの性能として、低消費電力性能の他に "セキュリティ性能" "安全性" も重要な要素になっています。これは、いくつかの側面があり、

  • ユーザコードの保護
  • 悪意のあるアクセスからの保護
  • センサからクラウドまでのデータセキュリティ
  • コードの安全実行

などが考えられ、IoTのセンサノードとして重要なファクタになっています。

AES-128の処理比較

仮にユーザコードを保護する目的で共通鍵による暗号化を実現しようとします。
AES-128をソフトウェアで処理した場合、これは1,728サイクルも消費してしまいます。ここでコアの消費サイクルが大きく掛かってしまい、折角、低消費電力でシステム構築しても、台無しになってしまいます。

ADuCM3029の場合、暗号化ユニットをハードウェアで実装しています。全ての暗号命令をハードウェアで実行させるため、コアを介することなく、AES-128処理を約40サイクル程度で高速処理することができます。そのため、低消費電力とセキュリティ機能を両立させることができます。

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AES-128の処理比較

ADuCM3029のセキュリティ / 安全性の特長

  • ハードウェア・アクセラレータによる暗号化機能
    • AES-128、AES-256、SHA-256 サポート
    • 真性乱数発生器(TRNG)内蔵
  • メモリエラー検出機能によるロバストネス
    • 内蔵Flash:ECC機能による1bitのエラー訂正と2bitのエラー検出が可能
    • 内蔵SRAM:パリティエラー検出を実装
    • プログラマブルな32bit CRCエンジンをハードウェアで実装
  • ウォッチドッグタイマ(WDT)による監視
  • ソフトウェアによる攻撃を避けるための仕組みを提供
    • リード保護、インサーキット・ライト保護 など

センサの同期サンプリングを低消費電力で実現する SensorStrobe™ 機能

ADI社のセンサ製品には、同期したサンプリング・ポイントによるデータ計測ができる機能をもつ製品があります。これは、加速度サンプリングを外部トリガ信号に同期させる機能になります。センサ側に内蔵されているFIFOおよびADuCM3029のSensorStrobe™ 機能を使うことによって、低消費電力で同期サンプリングが可能になります。

SensorStrobe™ 機能の仕組み

このSensorStrobe™ 機能は、ADuCM3029がHibernateモード中にセンサに連続してデータ計測を実行させる仕組みとなります。以下のような動作となります。

  1. ADuCM3029のRTCの出力をSensorStrobe™ に割り当てを行い、定期的にトリガ信号を出力
  2. ADuCM3029はHibernateモードへ遷移
  3. ADXL3xxのFIFOがフルになったとき、WakeUp
  4. SPIなどにてFIFO内のデータを取り込む

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図3:SensorStrobe™ の動作

上記のようなSensorStrobe™ およびFIFOを有効活用すると、1/10以下の低消費電力化を実現することが可能です。

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図4:SensorStrobe™ とFIFOの活用による低消費電力化

SensorStrobe™ に対応している各種デバイス

2017年12月現在、以下の通りです。(今後、増える予定)
  • 光測定フロント・エンド
    • ADPD103
    • ADPD105
    • ADPD107
  • 3軸加速度センサ
    • ADXL345
    • ADXL346
    • ADXL350
  • 超低消費電力3軸加速度センサ
    • ADXL362
    • ADXL363

  • 無線トランシーバ
    • ADF7030-1
  • 低ノイズ3軸加速度センサ
    • ADXL355
    • ADXL357
  • 高g 3軸加速度センサ
    • ADXL372
    • ADXL373

ADuCM3029の開発環境と評価ボードのご紹介

  • ソフトウェア開発ツール
    • IAR社 EWARM v7.60.2 以降
    • Keil社 uVision v5.23 以降
    • ADI社 CCES 2.6.0 以降
  • エミュレータ
    • IAR / Keil:J-Link Lite
    • CCES:J-Link Lite or ICE-1000 / 2000
      ※J-Link Liteは、EZLite評価ボードに付属

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用途に合わせた評価ボードを準備

 

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