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

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製品ピックアップマイコン・プロセッサー・DSP Analog Devices

ADuCM3029はアナログ・デバイセズ社のマイコン製品です。ADIは、DSPをはじめ、さまざまなタイプのプロセッサー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をはじめとするさまざま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をイメージしたとき、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/解析をおこなった後、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でおこなったとき、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。プロセッサー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。

Article header library 127173 pic01 1 — 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ーを内蔵し、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ー、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。内蔵メモリーにはECC /パリティー機能を持たせ、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
- 最大動作周波数：26MHz
- 柔軟な4つの動作モードサポート（詳細は低消費電力を実現する4つの動作モードをご参照ください）
- 単一のコインセルに対応（例：CR2032）
  - 電源範囲 (VBAT)：1.74 ～ 3.6V
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コンバーター内蔵
- リーク電流低減のためのパワーゲーティング
- 電源電圧モニター内蔵 (VBAT、VREG)
内蔵メモリー
- ECC機能付きFlashメモリー：256KB
- キャッシュメモリー：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-メモリー、メモリー - メモリー間）
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ー間は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

Article header library 127173 pic02 1 — 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ー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、

ユーザーコードの保護
悪意のあるアクセスからの保護
センサー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のセンサーノードとして重要なファクターになっています。

AES-128の処理比較

仮にユーザー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、せっかく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。

Article header library 127173 pic06 5 — 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・アクセラレーターによる暗号化機能
- AES-128、AES-256、SHA-256 サポート
- 真性乱数発生器 (TRNG) 内蔵
メモリー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：パリティーエラー検出を実装
- 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ー (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

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

アナログ・デバイセズ社のセンサー製品には、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ー信号に同期させる機能になります。センサー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。