組み込みコンピューティングとIoTのためのプログラマブルロジックデバイス

1960年代に航空宇宙および軍事用途で初めて開発された組み込みコンピューティングシステムは、マイクロコントローラーやプログラマブルロジックデバイスの機能強化とコストパフォーマンスの向上を通じて、新しいアプリケーションをサポートし続けています。今日、組み込みコンピューティングシステムは、一般的に「コンピュータ」とは思われていない日常のデバイスを制御しています：デジタルカメラ、自動車、スマートウォッチ、家庭用電化製品、さらにはスマート衣類まで。これらの組み込みコンピューティングシステムは、消費者向け、産業、自動車、医療、商業、軍事アプリケーションで一般的に見られます。

汎用コンピュータとは異なり、組み込み制御システムは通常、特定のタスクを実行するように設計されています。組み込みコンピューティングシステムの設計者のタスクは、システムの機能、性能、使いやすさ、信頼性の要件を実装するコンポーネントのセットを特定し、通常は厳しいコストと開発タイムラインの制約内でこれを行うことです。そのため、マイクロコントローラの選択とその特性、データ処理能力、速度、周辺機器、および消費電力を含む、はシステム設計の最も初期かつ最も重要な側面の一つです。

設計者の責任の一部には、特定の業界のトレンドを認識し、関連するコンポーネントや技術を活用することが含まれます。マイクロコントローラアプリケーションのトップ産業の中で例を見てみましょう、それはインターネットオブシングスです。

IoTとは何ですか？

インターネットオブシングス（IoT）は通常、「物理的なオブジェクトとデバイスへのインターネット接続の拡張」として定義されます。IoTデバイスは、インターネット上でまたは無線プロトコルを介して直接互いに通信し、相互作用することができ、遠隔で監視および制御することができます。消費者市場のIoTデバイスは、通常、スマートホームを可能にする製品、例えば、家庭用電化製品、照明器具、サーモスタット、ホームセキュリティシステム、カメラなどに関連しています。最新の製品クラスは、スマートフォンや他のクラウド接続デバイスから制御することができます。

IoTスマートロックコントローラーの例。ユーザーの身元はスマートフォンを介してクラウドに送信され、認証され、コマンドが処理されます。スマートフォンはBluetoothを介してスマートロックの操作（開閉）を制御します。

IoTデバイスには、共通の重要なコンポーネントがいくつかあります。マイクロコントローラ、組み込みメモリ、および電力管理に加えて、これらのデバイスには通常、単一のパッケージ内の信号調整コンポーネントを備えたセンサーとアクチュエータが含まれています。デバイスがローカルネットワークプロセッサおよび/またはクラウドコンピューティングリソースにデータを送受信するために必要な通信回路は、IoTアプリケーション用に設計されたマイクロコントローラにしばしば含まれています。

次世代IoTデバイスの設計課題

IoTデバイスは、産業、消費者、医療、農業アプリケーションで広く普及しています。これらがより多く、機能豊富になるにつれて、組み込みシステム開発者は以下の設計課題に直面し続けるでしょう：

• セキュリティ：これはIoT技術を採用する上で最大の懸念事項です。特に、IoTデバイスの使用がより普及するにつれて、サイバー攻撃はますます一般的な脅威となる可能性があります。

• バッテリー寿命と稼働時間：IoTデバイスの大部分はバッテリーで動作します。これらのデバイスがより機能豊富になるにつれて、電力需要が増加し、より大きなバッテリーやより良い電力管理スキームが必要になります。

• 分散化：従来のクラウドアーキテクチャは、クラウドベースのデータセンターでアプリケーションの集中処理を提供します。データセンターとIoTデバイスの間の距離が遅延を増加させ、リアルタイムのワークフローには遅すぎることがあります。対照的に、エッジコンピューティングはIoTデバイスが外部の刺激にリアルタイムで賢明な判断を下し、反応することを可能にします。これはまた、個人データの主権の利点を提供し、個人データは事前に分析され、より高いレベルの解釈を伴ってサービスプロバイダーに提供されます。

IoTデバイスにおける組み込みコンピューティング用のマイクロコントローラ

IoTデバイスは安価であることが求められるため、アプリケーションによって過小評価されないようにマイクロコントローラを選択する必要があります。アプリケーションに最適な部品を決定するマイクロコントローラの仕様には以下があります：

• ビット深度：レジスタとデータパスの幅は、マイクロコントローラが複雑な計算をどれだけ速く、正確に実行できるかに影響します。

• メモリ：マイクロコントローラのRAMとフラッシュの量は、コンポーネントがフルスピードでサポートできるコードのサイズと複雑さを決定します。大容量のメモリは、より大きなダイエリアとコンポーネントコストを持ちます。

• GPIO：これらは、システム内のセンサーやアクチュエータに接続するために使用されるマイクロコントローラのピンです。これらはしばしば、シリアル通信、A/D、D/Aコンバータなどの他のマイクロコントローラの周辺機能と機能を共有します。

• 消費電力：バッテリー駆動デバイスにとって消費電力は非常に重要であり、通常、マイクロコントローラの速度とメモリサイズが増加すると増加します。

Cypress Semiconductor, CY8C6246BZI-D04

CY8C6246BZI-D04 プログラマブルシステムオンチップ（PSoC）6 MCUアーキテクチャは、IoT向けに特別に設計され、強化されたセキュリティを目指しています。高価で電力を多く消費するアプリケーションプロセッサと低性能MCUの間のギャップを埋めます。超低電力PSoC 6 MCUアーキテクチャは、新しいIoT製品に必要な処理性能を提供します。セキュリティは、統合されたハードウェアベースの信頼実行環境（TTE）と安全なデータストレージを介して組み込まれています。

PSoC 6 MCUアーキテクチャは、最先端の超低電力40nmプロセス技術に基づいており、デュアルArm^® Cortex^®-Mコアアーキテクチャを採用しています。アクティブ消費電力は、M4コアで22-μA/MHz、M0+コアで15-μA/MHzと非常に低くなっています。Cypressはまた、CY8C6246BZI-D04のプログラミング用の開発キットを提供しています：

PSoC Programmer 3.26.0は、PSoC ProgrammerおよびPSoC Creatorを介してCypressの最新のPSoC 6デバイスファミリーのプログラミングとデバッグサポートを提供します。PSoC 6デバイスのSWDおよびJTAGインターフェースを介したプログラミングとデバッグをサポートします。

Cypress SemiconductorからのCypress PSoC 6 MCUアーキテクチャ

Texas Instruments, MPS430FR2676 CapTIvate^™

MPS430FR2676は、64KBのFRAM、8KBのSRAM、43のIO、および12ビットADCを備えた超低消費電力MSP430^™容量性タッチセンシングマイクロコントローラです。CapTIvate技術ラインは、ボタン、スライド、ホイール、近接機能を備えたIoTデバイスに最適です。FRAM、または強誘電体ランダムアクセスメモリは、フラッシュの非揮発性とSRAMの柔軟性および低消費電力を組み合わせたメモリ技術です。この実証済みのメモリ技術は、MSP430超低消費電力マイクロコントローラ（MCU）に統合され、そのユニークな利点を実世界のアプリケーションにもたらします。

*CapTIvate技術を備えたMSP430 MCUsは、市場で最も統合され自律的な容量性タッチソリューションを提供し、最低の電力で高い信頼性とノイズ耐性を実現します。TIの容量性タッチ技術は、同じ設計で自己容量性と相互容量性の電極を同時にサポートすることで最大の柔軟性を提供します。*

Texas Instrumentsからの機能ブロック図

ST Microelectronics STM32H753BIT6

STM32H753BIT6マイクロコントローラは、エッジコンピューティング向けに設計されており、2M x 8フラッシュメモリを搭載した32ビットARM Cortex M7 480 MHzコアの上に構築されています。このMCUには、スマートホームや産業アプリケーションで役立つ組み込み温度センサーも含まれています。Cortex-M7コアは、IEEE 754準拠の倍精度および単精度データ処理命令およびデータ型をサポートする浮動小数点ユニット（FPU）を特長としています。これらのデバイスは、セキュリティを向上させるためのメモリ保護ユニット（MPU）を含むDSP命令の完全なセットをサポートしています。このマイクロコントローラは、データを分析するための機械学習アルゴリズムを実行するように設計されたIoTデバイスにも理想的です：

STM32Cube.AIは、STM32 Arm^® Cortex^®-Mベースのマイクロコントローラ上で事前にトレーニングされた人工ニューラルネットワーク（ANN）をマッピングして実行する可能性を提供する、広く使用されているSTM32CubeMX構成およびコード生成ツールの拡張パックです。

データシートからのSTM32H753xIバスマトリックス

IoTやその他のアプリケーション領域での組み込みコンピューティングは進化を続け、適切なマイクロコントローラーや他のプログラマブルロジックデバイスを使用することで、次のシステムのパフォーマンスを最大化できます。おすすめの製品から検索を始めてみてください！

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