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2022年10月27日木曜日

SSD1306 OLEDをSTM32で動かす。 afiskonライブラリ

afiskonライブラリafiskon/stm32-ssd1306はSSD1306は4iloライブラリからforkされたものの様で、SSD1306 OLEDのI2C版とSPI版に対応しています。

Nucleo-F446REとNucleo-G431KBで動作確認しました。

以下の記事を参考にさせていただきました。

「afiskon」さん(本家) https://github.com/afiskon/stm32-ssd1306

「hacksOnTable」さん「STM32 OLED TUTORIAL(Youtube)」

HALを使ったプログラミングはSTM32CubeIDEの登場でかなり便利になりましたが、MPUのシリーズによって特徴があり、設定やプログラミングが方法がそれぞれ少しずつ異なります。冗長になりますが、Nucleo-F446REとNucleo-G431GBで、SSD1306のI2C版とSPI版の使い方を説明します。

STM32CubeIDEのバージョン: 1.10.1

I2C版 Nucleo-F446RE

Board SelecotorでNuckeo-F446REを指定してDefult Modeで初期化。

MXの設定

Pinout & Configuration

Connectivity

I2C1

Mode

I2C: I2C

Configuration

Parameter Settings

Master Features

I2C Speed Mode: Standard Mode

GPIO Settings

PB8 I2C1_SCL

PB9 I2C1_SDA

afiskonライブラリではデフォルトでI2C1を使う設定になっています。I2C2やI2C3などを使う場合は「ssd1306_conf_template.h」を適宜書き換えます。

ハードウェアの準備

SSD1306	F446RE	Arduino Header
GND	GND	GND
VDD	3V3	3V3
SCK	PB8	D15
SDA	PB9	D14

ブレッドボード配線図

ライブラリの準備

GitHubのafiskon/stm32-ssd1306からZIPファイルをダウンロードします。

ssd1306.h
ssd1306_conf_templates.h
ssd1306_fonts.h
ssd1306_tests.h

を「<Projectフォルダ>\Core\Inc\」に

ssd1306.c
ssd1306_fonts.c
ssd1306_tests.c

を「<Projectフォルダ>\Core\Src\」にコピーします。IDEのProject ExplorerでProjectフォルダを右クリックし「Refresh」します。

「Core/Inc/ssd1306_conf_template.h」の内容を以下のように書き換えます。

// Choose a microcontroller family
//#define STM32F0
#define STM32F4

重要：「ssd1306_conf_template.h」を「ssd1306_conf.h」にRenameします。

ソースコード

MXでコード生成して、Core\Src\main.cに以下のコードを追加します。

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ssd1306.h"
#include "ssd1306_fonts.h"
#include "ssd1306_tests.h"
/* USER CODE END Includes */

<略>

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  ssd1306_TestAll();
  /* USER CODE END 2 */

実行している様子

FPS表示値

Standard Mode	9
Fast Mode	34

F446REの駆動クロックはHSI/84MHz。

I2C信号波形

F446RE I2C Fast Mode 2.2kΩ Pullup

C1:SDA C2:SCL

I2C版 Nucleo-G431KB

Board SelecotorでNuckeo-G431KBを指定してDefult Modeで初期化。

MXの設定

Pinout & Configuration

Connectivity

I2C1

Mode

I2C: I2C

Configuration

Parameter Settings

Master Features

I2C Speed Mode: Standard Mode

GPIO Settings

PA15 I2C1_SCL

PB7 I2C1_SDA

ブレッドボード配線図

SSD1306	G431KB	Arduino Header
GND	GND	GND
VDD	3V3	3V3
SCK	PA15	D5
SDA	PB7	D4

ライブラリの準備

必要なファイルをコピーします。

Core/Inc/ssd1306.h
Core/Inc/ssd1306_conf_templates.h
Core/Inc/ssd1306_fonts.h
Core/Inc/ssd1306_tests.h
Core/Src/ssd1306.c
Core/Src/ssd1306_fonts.c
Core/Src/ssd1306_tests.c

「Core/Inc/ssd1306_conf_template.h」の内容を以下のように書き換えます。

// Choose a microcontroller family
//#define STM32F0
#define STM32G4

「#define STM32G4」はコメントアウトで用意されていないので書き加えます。「ssd1306.h」では

#elif defined(STM32G4)
#include "stm32g4xx_hal.h"

と、STM32G4を使用する場合の定義があります。

重要：「ssd1306_conf_template.h」を「ssd1306_conf.h」にRenameします。

ソースコード

MXでコード生成して、Core\Src\main.cに以下のコードを追加します。

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ssd1306.h"
#include "ssd1306_fonts.h"
#include "ssd1306_tests.h"
/* USER CODE END Includes */

<略>

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  ssd1306_TestAll();
  /* USER CODE END 2 */

main.cへのソースコードの追加はI2C版 Nucleo-F446REと同じです。

実行している様子

FPS表示値

Standard Mode	9
Fast Mode	35
Fast Mode Plus	76

※Fast Mode Plusで使用する場合は2.2kΩ程度で外部Pullupする。

G431KBの駆動クロックはHSI/170MHz。

I2C信号波形

G431RB I2C Fast Mode Plus 2.2kΩ Pullup

C1:SDA C2:SCL

SPI版 Nucleo-F446RE

Board SelecotorでNuckeo-F446REを指定してDefult Modeで初期化。

MXの設定

Pinout & Configuration

System Core

Configuration

GPIO

PA10 : Output Push Pull : Very High : OLED_Res

PB4 : Output Push Pull : Very High : OLED_CS

PB5 : Output Push Pull : Very High : OLED_DC

Connectivity

SPI2

Mode

Mode: Half Duplex Master

Configuration

Parameter Settings

Clock Parameters

Prescaler(for Baud Rate): 64

Clock Polarity(CPOL): High

Clock Phase(CPHA): 2 Edge

GPIO Settings

PB10 SPI2_SCK

PC1 SPI2_MOSI

Nucleo-F446REでは、SPI1はデフォルトでは使用不可になっているのでSPI2を使用します。MISOは使わないのでModeはHalf Duplex Masterにします。

動作確認のためClock Prescalerは大きめにしてクロック周波数を低く設定します。

重要：Clock Polarity(CPOL)、Clock Phase(CPHA)は上記の通り設定すると動作するようです。

またGPIOで制御信号線(CS、RES、DC)を割り当てます。右側のPinout図でPinをクリックしてGPIO_Outputを選択し、User Labelを設定します。User Labelはssd1306_conf_template.hで定義されているものを入力します。

ハードウェアの準備

SSD1306	F446RE	Arduino Header	機能
GND	GND	GND	GND
VDD	3V3	3V3	3.3V Power
D0	PB10	D6	SPI/SCK
D1	PC1	A4	SPI/MOSI
RES	PA10	D2	Reset
DC	PB5	D4	Data/Command
CS	PB4	D5	SPI/CS

ブレッドボード配線図

ライブラリの準備

必要なファイルをコピーします。

Core/Inc/ssd1306.h
Core/Inc/ssd1306_conf_templates.h
Core/Inc/ssd1306_fonts.h
Core/Inc/ssd1306_tests.h
Core/Src/ssd1306.c
Core/Src/ssd1306_fonts.c
Core/Src/ssd1306_tests.c

Core\Inc\ssd1306_conf_template.hを以下のように変更します。

// Choose a microcontroller family
//#define STM32F0
//#define STM32F1
#define STM32F4
//#define STM32L0
//#define STM32L1
//#define STM32L4
//#define STM32F3
//#define STM32H7
//#define STM32F7
//#define STM32G0

// Choose a bus
//#define SSD1306_USE_I2C
#define SSD1306_USE_SPI

// I2C Configuration
//#define SSD1306_I2C_PORT        hi2c1
//#define SSD1306_I2C_ADDR        (0x3C << 1)

// SPI Configuration
#include "main.h"
#define SSD1306_SPI_PORT        hspi2
#define SSD1306_CS_Port         OLED_CS_GPIO_Port
#define SSD1306_CS_Pin          OLED_CS_Pin
#define SSD1306_DC_Port         OLED_DC_GPIO_Port
#define SSD1306_DC_Pin          OLED_DC_Pin
#define SSD1306_Reset_Port      OLED_Res_GPIO_Port
#define SSD1306_Reset_Pin       OLED_Res_Pin

SPI2を使うのでSSD_1306_SPI_PORTの定義をhspi2に変更します。

あまり感心できるものではありませんが、OLED_CS_GPIO_Portなどが定義されていないというエラーが出るので、直前に

#include "main.h"

という一行を追加して、定義されているヘッダーファイルをインポートします。

重要：「ssd1306_conf_template.h」を「ssd1306_conf.h」にRenameします。

ソースコード

MXでコード生成して、Core\Src\main.cに以下のコードを追加します。

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ssd1306.h"
#include "ssd1306_fonts.h"
#include "ssd1306_tests.h"
/* USER CODE END Includes */

<略>

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  ssd1306_TestAll();
  /* USER CODE END 2 */

main.cのコード追加はI2C版と同じです。

実行している様子

FPS表示値

SPI Prescaler:64 (655.25KBits/s)	60
SPI Prescaler:16 (2.625MBits/s)	144
SPI Prescaler: 2 (21.0MBits/s)	217

F446REの駆動クロックはHSI/84MHz。

SPI信号波形

F446RE SPI Prescaler=16

C1:MOSI C2:SCK

SPI版 Nucleo-G431KB

Board SelecotorでNuckeo-G431KBを指定してDefult Modeで初期化。

MXの設定

Pinout & Configuration

System Core

Configuration

GPIO

PA11 : Output Push Pull : Very High : OLED_Res

PB4 : Output Push Pull : Very High : OLED_CS

PB5 : Output Push Pull : Very High : OLED_DC

Connectivity

SPI1

Mode

Mode: Half Duplex Master

Configuration

Parameter Settings

Basic Parameters

Data Size: 8bit

Clock Parameters

Prescaler(for Baud Rate): 256

Clock Polarity(CPOL): High

Clock Phase(CPHA): 2 Edge

GPIO Settings

PA5 SPI2_SCK

PA7 SPI2_MOSI

Nucleo-G431KBではデフォルトでSPI1が使用できるのでSPI1を使います。MISOは使わないのでModeはHalf Duplex Masterにします。重要：Data Sizeがデフォルトでは4bitになっているので、8bitに変更します。

動作確認のためClock Prescalerは大きめにしてクロック周波数を低く設定します。

Clock Polarity(CPOL)、Clock Phase(CPHA)は上記の通り設定すると動作するようです。

ハードウェアの準備

SSD1306	G431KB	Arduino Header	機能
GND	GND	GND	GND
VDD	3V3	3V3	3.3V Power
D0	PA5	A4	SPI/SCK
D1	PA7	A6	SPI/MOSI
RES	PA11	D10	Reset
DC	PB5	D11	Data/Command
CS	PB4	D12	SPI/CS

ブレッドボード配線図

ライブラリの準備

必要なファイルをコピーします。

Core/Inc/ssd1306.h
Core/Inc/ssd1306_conf_templates.h
Core/Inc/ssd1306_fonts.h
Core/Inc/ssd1306_tests.h
Core/Src/ssd1306.c
Core/Src/ssd1306_fonts.c
Core/Src/ssd1306_tests.c

Core\Inc\ssd1306_conf_template.hを以下のように変更します。

// Choose a microcontroller family
//#define STM32F0
//#define STM32F1
//#define STM32F4
//#define STM32L0
//#define STM32L1
//#define STM32L4
//#define STM32F3
//#define STM32H7
//#define STM32F7
//#define STM32G0
#define STM32G4

// Choose a bus
//#define SSD1306_USE_I2C
#define SSD1306_USE_SPI

// I2C Configuration
//#define SSD1306_I2C_PORT        hi2c1
//#define SSD1306_I2C_ADDR        (0x3C << 1)

// SPI Configuration
#include "main.h"
#define SSD1306_SPI_PORT        hspi1
#define SSD1306_CS_Port         OLED_CS_GPIO_Port
#define SSD1306_CS_Pin          OLED_CS_Pin
#define SSD1306_DC_Port         OLED_DC_GPIO_Port
#define SSD1306_DC_Pin          OLED_DC_Pin
#define SSD1306_Reset_Port      OLED_Res_GPIO_Port
#define SSD1306_Reset_Pin       OLED_Res_Pin

あまり感心できるものではありませんが、OLED_CS_GPIO_Portなどが定義されていないというエラーが出るので、直前に

#include "main.h"

という一行を追加して、定義されているヘッダーファイルをインポートします。

重要：「ssd1306_conf_template.h」を「ssd1306_conf.h」にRenameします。

ソースコード

MXでコード生成して、Core\Src\main.cに以下のコードを追加します。

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ssd1306.h"
#include "ssd1306_fonts.h"
#include "ssd1306_tests.h"
/* USER CODE END Includes */

<略>

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  ssd1306_TestAll();
  /* USER CODE END 2 */

main.cはいずれも同じコードです。

実行している様子

FPS表示値

SPI Prescaler:256 (654.062KBits/s)	69
SPI Prescaler: 64 (2.65625MBits/s)	199
SPI Prescaler: 8 (21.25MBits/s)	437
SPI Prescaler: 4 (42.5MBits/s)	動作せず

G431REの駆動クロックはHSI/170MHz。

SPI信号波形

G431KB SPI Prescaler=64

C1:MOSI C2:SCK

2022年10月24日月曜日

SSD1306 OLEDをSTM32で動かす。 4iloライブラリ

Nucleo-F446REとNucleo-G431KBで4lioライブラリを使ってみました。4iloライブラリはI2C版のみの対応です。SPI版のSSD1306 OLEDを使用するには派生ライブラリのafiskonライブラリafiskon/stm32-ssd1306を使います。(次回予定)

以下の記事を参考にさせていただきました。

「4ilo」さん(本家) https://github.com/4ilo/ssd1306-stm32HAL

「可燃ごみ」さん「STM32 I2C接続OLEDディスプレイを使う」

「@usashirou」さん「STM32CubeIDEを使ってみよう How To STM32CubeIDE 日本語版 (10) I2Cを使ってみよう3 ssd1306編」

使用したSTM32CubeIDEのバージョン: 1.10.1

なお、久しぶりにSTM32CubeIDEを立ち上げると延々とUpdateがかかるので事前に一度起動してUpdateを完了させると良いと思います。ST-LinkのファームウェアのアップデートもあるのでLチカなども走らせましょう。

Nucleo-F446RE

Board SelecotorでNuckeo-F446REを指定してDefult Modeで初期化。

MXの設定

STM32CubeIDEでは「Device Configuration Tool」と呼ばれるもので、「.ioc」ファイルを開くとIDE内で起動します。STM32CubeMXと機能的にはほぼ同等なので、このBlogではMXと呼んでいます。STM32CubeMXを別途立ち上げる必要はありません。

Pinout & Configuration

Connectivity

I2C1

Mode

I2C: I2C

Configuration

Parameter Settings

Master Features

I2C Speed Mode: Standard Mode

GPIO Settings

PB8 I2C1_SCL

PB9 I2C1_SDA

Parameter Settingsはデフォルトのまま、Standard Mode (100kHz)でOKです。Fast Mode(400kHz)でも動作します。

GPIO Settingsは右側のPinout図で設定すると左下のConfigurationペインに反映されます。ピン割当はArduinoヘッダのD14(PB8)、D15(PB9)に変更しました。

ハードウェアの準備

ブレッドボード配線図

SSD1306	F446RE	Arduino Header
GND	GND	GND
VDD	3V3	3V3
SCK	PB8	D15
SDA	PB9	D14

ライブラリの準備

4ilo/ssd1306-stm32HALからZIPファイルをダウンロード（右上の「Code」-「Download ZIP」をクリック）して展開しておきます。

ssd1306.h
fonts.h

を「<Projectフォルダ>\Core\Inc\」に

ssd1306.c
fonts.c

を「<Projectフォルダ>\Core\Src\」にコピーします。IDEのProject ExplorerでProjectフォルダを右クリックし「Refresh」します。

ソースコード

MXでコード生成して、Core\Src\main.cに以下のコードを追加します。

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ssd1306.h"
#include "fonts.h"
/* USER CODE END Includes */

<略>

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // Init lcd using one of the stm32HAL i2c typedefs
  ssd1306_Init(&hi2c1);

  // Write data to local screenbuffer
  ssd1306_SetCursor(0, 36);
  ssd1306_WriteString("4ilo", Font_11x18, White);

  // Copy all data from local screenbuffer to the screen
  ssd1306_UpdateScreen(&hi2c1);
  /* USER CODE END 2 */

実行している様子

I2C信号波形

外部Pullupなし Fast Mode(400kHz)

C1:SDA C2:SCL

I2CのSCLとSDAは、SSD1306モジュール上でPullupされているので、外部Pullupしなくても動作します。

外部Pullup 10kΩ Fast Mode(400kHz)

C1:SDA C2:SCL

外部Pullupすると信号波形がきれいになります。

外部Pullup 2.2kΩ Fast Mode(400kHz)

C1:SDA C2:SCL

外部Pullupの抵抗値を小さくしても400kHzクロックではあまり変わりませんね。

Nucleo-G431KB

Board SelecotorでNuckeo-G431KBを指定して「Defult Mode」で初期化。

MXの設定

Pinout & Configuration

Connectivity

I2C1

Mode

I2C: I2C

Configuration

Parameter Settings

I2C Speed Mode: Standard Mode

GPIO Settings

PA15: I2C1_SCL

PB7: I2C1_SDA

I2C Speed ModeはまずStandard Modeで動作確認し、Fast Mode、Fast Plus Modeに変更して動作確認しました。

ハードウェアの準備

ブレッドボード配線図

SSD1306	G431KB	Arduino Header
GND	GND	GND
VDD	3V3	3V3
SCK	PA15	D4
SDA	PB9	D5

ライブラリの準備

Nucleo-F446REと同様にファイルをコピーします。

Core/Inc/fonts.h

Core/Inc/ssd1306.h

Core/Src/fonts.c

Core/Src/fonts.h

重要: STMG431KBを使うので、Core/Inc/ssd1306.hを以下のように変更します。

//#include "stm32f4xx_hal.h"

#include "stm32g4xx_hal.h"

main.cへのソースコードの追加はNucleo-F446REの場合と同じです。

実行している様子

I2C Speed Mode

10kΩの外部Pullupした場合、Standard Mode、Fast Modeでは動作しましたが、Fast Mode Plusでは動作しませんでした。外部Pullupを2.2kΩに変更するとFast Mode Plusでも動作しました。

Standard Mode(100kHz) 外部Pullup 10kΩ

C1:SDA C2:SCL

Fast Mode(400kHz) 外部Pullup 10kΩ

C1:SDA C2:SCL

Fast Mode Plus(1000kHz) 外部Pullup 10kΩ

C1:SDA C2:SCL

9bit目でACKされておらず(HIGHに引っ張りきれていない）、以降のI2C通信が失敗しています。

Fast Mode Plus(1000kHz) 外部Pullup 2.2kΩ

C1:SDA C2:SCL

Pullup抵抗の抵抗値を小さくすると、ACKが認識されて正常に通信が行われています。

注）オシロ波形の下に周波数を表示させていますが、C1:SDAの値です。クロック周波数を知るためにはC2:SCLの値を表示させるべきでした。クロック周波数はC2(青色)の波形数と目盛りから概算できます。

2021年9月5日日曜日

STM32CubeIDE サイクル・カウンタ(CYCLECOUNTER)を使って処理速度を測定

STMicroのWebサイトで、CYCLECOUNTERレジスタを使ってマイコンの処理速度を測定する方法が紹介されています。

マイコンの演算速度を測る（その2）https://www.stmcu.jp/technical/hint/no-085/

GPIOをHigh/Lowさせて計測するよりスマートです。サイクル・カウンタとGPIO両方で処理速度を測定し、比較してみました。サイクル・カウンタの計測とGPIOの出力をオシロで観測した結果はほぼ同じ値になるはずです。

STM32CubeIDEのバージョンは1.7.0です。

MXの設定

Clock

HSE→PLL

HCLK:180MHz

Pinout & Configuration

System Core

GPIO

PA10

GPIO mode: Output Push Pull

Maximum output speed: Very High

User Label: PIN_CHK1

ソースコード(main.cに追加)

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_GPIO_TogglePin(PIN_CHK1_GPIO_Port, PIN_CHK1_Pin);
  }
  /* USER CODE END 3 */

ConfigurationはDebugで、最適化なし(-O0)

最適化の設定方法は「STM32CubeIDE: 覚え書き」の「Buildの設定」で書きました。

サイクル・カウンタで計測

公式ページの説明は少し分かりづらかったので、注釈をつけてみました。

① Run-Debug（F11）でDebug開始

Debugを開始するとint main(void)のHAL_Init()で停止します。

② 希望の測定開始BreakPointまでコード実行（Resume,F8）

行頭をダブルクリックするとブレークポイントを切り替えられます。ブレークポイントを設定し、F8を押します。

③ Window-Show View-Memory Browserを選択し、0xE0001000番地に移動

Memory Browserのテキストボックスに「0xE0001000」と入力し「Go」をクリックします。

④ 0xE0001000のLSBビットを‘１’に変更（CYCLECOUNTERの開始）＊初回のみ

Memory Browser内で右クリックしてメニューを表示→「Cell Size」で1byteを選択します。0xE0001000のセルをクリックし「01」と入力しEnter。

⑤ 希望の測定終了BreakPointまでコード実行（Resume,F8）

⑥ 0xE0001004の値を確認（= CYCLECOUNTERの値）

Memory Browser内で右クリックしてメニューを表示→「Cell Size」で2byteを選択、「Radix」でDecimal Unsignedを選択。16byte区切りで10進表示になります。

⑦ 以降の測定Pointについては、0xE0001004の値を‘0’に変えて、②⑤⑥の繰り返し（④の再設定は不要）

0xE0001004, 0xE0001005のセルに「00000」と入力し、Enter。

今回は、

HAL_GPIO_TogglePin(PIN_CHK1_GPIO_Port, PIN_CHK1_Pin);

にBreakPointを置いて実行しました。Resumeすると、Whileループ内で再び同じ行に戻ります。

私の環境では、whileループの1回目は54、2回目以降は50となりました。1回目は何か特別な処理が行われていると思います。

50cycleとすると、180MHz駆動なので、(1 / 180MHz) * 50cycle ≒ 277.7ns

オシロでD2(PA10)の出力を観測

BreakPointを外し、Run-Debug(F11)、Resume(F8)して計測しました

周期 T = 555.2nsなので、Toggle1回分は半分の277.6nsです。

CYCLECOUNTERでの計測の結果とオシロの観測結果がほぼ等しいので、CYCLECOUNTERで処理速度を測定できているようです。

2021年8月12日木曜日

STM32CubeIDE Nucleo-G431KBの実行速度を測定 I2S

I2Sのサンプリング周波数が192kHzの場合、周期 T = 1 / f ≒ 5.21us、L/Rの2chだとその半分の2.60usがリアルタイムな計算に使える時間となります。

前回、FPUを使って算術関数の実行速度を測定しました。G431KBの場合、expf()1000回で1msだったので、1回あたり1usとなります。リアルタイムに計算する場合せいぜいexpf()2回が限度となります。

さらに、I2SのDMA転送が完了するまでメモリの内容はいじれませんので、転送が完了するまでの待ち時間が発生します。転送完了の割り込みが発生してから次の転送開始までどれぐらいの猶予があるか測定しました。

ソースコード(main.cに追加)

/* USER CODE BEGIN PV */
int32_t data[2] = { 0 };
int32_t tx_buffer[2] = { 0 };
/* USER CODE END PV */

<中略>

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s2, (uint16_t *)tx_buffer, 2);
  /* USER CODE END 2 */

<中略>

/* USER CODE BEGIN 4 */
static int32_t swap16(int32_t x)
{
	return ((uint32_t)x << 16) | ((uint32_t)x >> 16);
}

void HAL_I2S_TxHalfCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
	HAL_GPIO_WritePin(CK_HALF_CPLT_GPIO_Port, CK_HALF_CPLT_Pin, GPIO_PIN_SET);

	tx_buffer[0] = swap16(data[0]++);

	HAL_GPIO_WritePin(CK_HALF_CPLT_GPIO_Port, CK_HALF_CPLT_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

void HAL_I2S_TxCpltCallback(I2S_HandleTypeDef *hi2s)
{
	HAL_GPIO_WritePin(CK_CPLT_GPIO_Port, CK_CPLT_Pin, GPIO_PIN_SET);

	tx_buffer[1] = swap16(data[1]--);

	HAL_GPIO_WritePin(CK_CPLT_GPIO_Port, CK_CPLT_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}
/* USER CODE END 4 */

32bit値をインクリメント、デクリメントして出力しています。STM32のI2Sは32bitの場合上下16bitを入れ替える必要があり、swap16()で行っています。参考「STM32CubeIDE: I2Sを32bit長で使う」

F303K8はSTM32CubeIDEではI2Sの設定ができませんので、F446RE、F767ZI、G431KBで測定しました。

F446REの設定

MXの設定

Pinout & Configuration

System Core

GPIO

PC10

Maximum output speed: Very High

User Label: CK_HALF_CPLT

PC12

Maximum output speed: Very High

User Label: CK_CPLT

Multimedia

I2S2

　　　Mode: Half-Duplex Master

Parameter Settings

Data and Frame Format: 32 Bits Data on 32 Bits Frame

Selected Audio Frequency: 192KHz

Real Audio Frequency: 195.312Khz

DMA Settings

SPI2_TX

Mode: Circular

Data Width: Half Word / Half Word

Clock Configuration

HSE->PLL HCLK: 180MHz

プロジェクトの設定

Project - Properties

C/C++ Build

Settings

Configuraion: Release

Tool Settings

MCU GCC Compiler

Optimization

Optimizaion level: Optimize for speed (-Ofast)

F767ZIの設定

Nucleo-F767ZIはデフォルトでETHが有効化されていて実行時にエラーが発生するので、MXで無効化します。

MXの設定

Pinout & Configuration

System Core

GPIO

PB10

Maximum output speed: Very High

User Label: CK_CPLT

PB11

Maximum output speed: Very High

User Label: CK_HALF_CPLT

Connectivity

ETH

Mode: Disable

Multimedia

I2S2

　　　Mode: Half-Duplex Master

Parameter Settings

Data and Frame Format: 32 Bits Data on 32 Bits Frame

Selected Audio Frequency: 192KHz

Real Audio Frequency: 187.5Khz

DMA Settings

SPI2_TX

Mode: Circular

Data Width: Half Word / Half Word

Clock Configuration

HSE->PLL HCLK: 216MHz

プロジェクトの設定

Project - Properties

C/C++ Build

Settings

Configuraion: Release

Tool Settings

MCU GCC Compiler

Optimization

Optimizaion level: Optimize for speed (-Ofast)

G431GBの設定

Nucleo-G431KBはPF0、PF1を有効にするためにボード上のはんだジャンパSB8、SB11をブリッジしました。

参考「STM32CubeIDE Nucleo-G431KBの実行速度を測定 GPIO」

MXの設定

Pinout & Configuration

System Core

GPIO

PA12

Maximum output speed: Very High

User Label: CK_HALF_CPLT

PB0

Maximum output speed: Very High

User Label: CK_CPLT

Multimedia

I2S2

　　　Mode: Half-Duplex Master

Parameter Settings

Data and Frame Format: 32 Bits Data on 32 Bits Frame

Selected Audio Frequency: 192KHz

Real Audio Frequency: 189.732dKhz

DMA Settings

SPI2_TX

Mode: Circular

Data Width: Half Word / Half Word

Clock Configuration

HSI->PLL HCLK: 170MHz

プロジェクトの設定

Project - Properties

C/C++ Build

Settings

Configuraion: Release

Tool Settings

MCU GCC Compiler

Optimization

Optimizaion level: Optimize for speed (-Ofast)

各Nucleoボードのデフォルトの設定で、I2Sを初期化すると割り当てられるピンは以下の通りです。

Board	I2S2_CK	I2S2_WS	I2S2_SD
F446RE	PB10	PB12	PC1
F767ZI	PD3	PB12	PC3
G431KB	PF1	PF0	PA11

実行結果

LchのDMA転送が完了したときに発生する割り込みHAL_I2S_TxHalfCpltCallback()から、RchのI2S通信が開始するWSがHighになる時点までの時間を計測しました。

WSがHighになってRchの通信が開始してからも、しばらくはLchのバッファをいじれるかもしれませんが、よくわかっていないので考慮にいれていません。少なくともRchのCPLTが呼び出されて、MPU本体に制御が戻る前にLchの仕事を完了させないといけません。

F446RE

F767ZI

G431KB

Board	猶予時間(us)
F446RE	1.59
F767ZI	1.1
G431KB	1.89

このテストもF767ZIの成績が芳しくありません。

おおよその目安として、192kHz/2chでI2S出力する場合、リアルタイムに算術関数を1回実行するが精一杯というところでしょうか。

2021年8月2日月曜日

STM32CubeIDE Nucleo-G431KBの実行速度を測定 FPU

Cortex-M4は単精度FPUを備えています。STM32F767ZIはCortex-M7で倍精度も使えます。G431KBとF303K8、F446RE、F767ZIについてsinf()、cosf()、expf()の実行速度を測定しました。

STM32CubeIDEのバージョンは1.7.0です。

ソースコード(Core/Src/main.cに追加)

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include <math.h>
/* USER CODE END Includes */

<中略>

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define PI_F  (3.1415926f)
#define DIV_N (1000)
#define DELTA (2.0f*PI_F/DIV_N)
/* USER CODE END PD */

<中略>

/* USER CODE BEGIN PV */
float v[DIV_N] = {0};
/* USER CODE END PV */

<中略>

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif
PUTCHAR_PROTOTYPE
{
	HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
	return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

<中略>

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	  volatile float phi = 0.0f;
	  HAL_GPIO_WritePin(PIN_CHK1_GPIO_Port, PIN_CHK1_Pin, GPIO_PIN_SET);
	  for (int i = 0; i < DIV_N; i++) {
		  // Uncomment out the functions to be used.
		  v[i] = sinf(phi);
		  //v[i] = cosf(phi);
		  //v[i] = expf(phi);

		  phi += DELTA;
	  }
	  HAL_GPIO_WritePin(PIN_CHK1_GPIO_Port, PIN_CHK1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
	  HAL_Delay(1);

	  //for (int i = 0; i < DIV_N; i++)  printf("%f\r\n", v[i]);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

メインループ内で算術関数をDIV_N=1000回繰り返し、その前後でGPIOをHigh/Low出力しオシロで間隔を測定しました。算術関数の切り替えは原始的にコメントアウトをつけたり外したりしてBuildし直して行っています。

算術関数がちゃんと使えているかどうか、結果が入ったv[]をUART出力(printf())しています。UART出力はかなり時間がかかるので、測定時にはprintf()コメントアウトしました。

STM32CubeIDEでのprintf()については「STM32CubeIDE: UARTでprintfを使う(浮動小数点数型あり)」で書きました。

各Nucleoボードの設定

Clock:

G431KB HSI→PLL 170MHz

F303K8 HSI→PLL 64MHz

F446RE HSE→PLL 180MHz

F767ZI HSE→PLL 216MHz

Pinout & Configuration:

System Core

GPIO

GPIO mode: Output Push Pull

Maximum ouput speed: Very High (F303K8はHigh)

User Label: PIN_CHK1

Arduino D2に割り当てられるPinは、F303K8とG431KBはPA12、F446REはPA10、F767ZIはPF15です。

Build Configurations: Release

Build Configurationsについてですが、DebugとReleaseを切り替えて実行するには、メニューの[Run] - [Run As...] - [1 STM32 Cortex-M C/C++ Application]からDebugかReleaseを選んで実行する必要があります。

最適化: -Ofast

Release Configurationのデフォルトは-Os (サイズ優先)ですが-Ofast (スピード優先)に変更しました。

G431KBの実行結果

sinf()

cosf()

expf()

UART出力

UART出力したデータをRlogin(ターミナルソフト)で受信しグラフ化しました。

sinf()

expf()

実行結果比較

関数名	機種名	周期(ms)	パルス幅+(ms)	パルス-(ms)
sinf()	G431KB	3.005	1.04	1.96
sinf()	F303K8	6.01	4.62	1.4
sinf()	F446RE	2	1	1
sinf()	F767ZI	3	1.6	1.4
cosf()	G431KB	3	1.04	1.96
cosf()	F303K8	6.01	4.54	1.48
cosf()	F446RE	3	1.12	1.88
cosf()	F767ZI	3	1.5	1.5
expf()	G431KB	2	1	1
expf()	F303K8	6.01	4.24	1.76
expf()	F446RE	2	0.96	1.04
expf()	F767ZI	3	1.28	1.72

周期がほぼ1ms区切りになっていますが、HAL_Delay()を使っているためだと思います。1ms単位のタイマーなので、1ms区切りでHAL_Delay()から抜ける動作をするようです。したがって周期ではなく、出力がHighになっている時間で比較します。

G431GBとF446REが同程度で最も速く、ついでF767ZI、F303K8が最も遅い結果になりました。GPIOの場合ほどではないですが、最も高スペックのはずのF767ZIの成績があまり芳しくないですね。

他の開発環境

以前、mbed OS5とSW4STM32で浮動小数点演算の実行時間を測定しました。

「浮動小数点数演算の速度比較 mbed OS5 vs TureSTUDIO vs SW4STM32 その２」

同じF446REの1000回ループで

関数	CubeIDE(us)	mbed-cli(us)	SW4STM32(us)
sinf()	1000	569	525
cosf()	1120	621	591
expf()	960	958	998

と、sinf()、cosf()の結果がかなり悪くなっています。Build時の設定が何かおかしいのかもしれませんね。

2021年7月29日木曜日

STM32CubeIDE Nucleo-G431KBの実行速度を測定 GPIO

STM32は従来のFシリーズ、Lシリーズの他、Gシリーズ、Hシリーズなどバリエーションが増えています。

STMicroの分類表によると、STM32G4はミックスド・シグナル・アプリケーションに最適化されSTM32F3の上位に位置するようです。基本スペックはCortex-M4/170MHzとなっており、Cortex-M4/180MHzのF4に匹敵します。

Nucleo32のNucleo-G431GBを購入したので実行速度を測定しました。手持ちのF303K8、F446RE、F767ZIを比較対象としました。

左から、F303K8、G431KB、F446RE、F767ZI。

STM32CubeIDEのバージョンは1.7.0です。

G431KBのBuild

Clockの設定

STM32CubeIDEでTarget BoardをNucleo-G431KBとして初期化すると、デフォルトではHSE(外部クロック)が無効化されています。

ボード上にクリスタル(X2)が実装されているようですが、ボード上のはんだブリッジで設定する必要があります。

※赤点線で囲ったあたりがはんだブリッジ

UM2397: STM32G4 Nucleo-32 board User Manualより

HSEを使う場合はSB9とSB10をブリッジします。またMXでクロックのソースを指定するとHSEが使えるようになります。

Pinout & Configuration

System Core

RCC

RCC Mode and Configuration

High SpeedClock(HSE): Crystal/Ceramic Resonator

※Master Clock Outputを有効化するとPG10よりクロック信号が出力されます。

HSEが有効化された状態

ただし、はんだブリッジのパターン自体はそれほどでもないのですが、周りに微小なSMD部品が配置されているので、はんだ付けに注意が必要です。また、170MHzの信号を測定する環境もないため、今回はHSEは試さずHSIを使うことにしました。HSIでもデフォルトで170MHz駆動することができます。

GPIO出力のの実行速度を測定

実行速度を測定する場合、測定する処理の前後でGPIOをHigh/Low出力して、オシロで間隔を測定することが多いので、手始めとして何も処理をせず単にGPIOをHigh/Lowさせた場合にかかる時間を測定しました。

MXの設定

Target BoardにNucleo G431KBを指定してデフォルトで初期化した後、MXでGPIOを設定します。

Pinout & Configuration

System Core

GPIO

Configuration

GPIO

PA12

GPIO mode: Output Push Pull

Maximum output speed: Very High

User Label: PIN_CHK1

PA12はArduinoのD2です。

Projectの設定

Project - properties

C/C++Build

Settings

Tool Settiongs

MCU GCC Compiler

Optimization

Optimization Level: Optimize for speed (-Ofast)

最適化レベルを速度優先にします。なお「-Ofast」を指定すれば、CofigurationがDebugでもReleaseでも実行速度に差は無いようです。

ソースコード(Core/Src/main.cに追加)

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    HAL_GPIO_WritePin(PIN_CHK1_GPIO_Port, PIN_CHK1_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(PIN_CHK1_GPIO_Port, PIN_CHK1_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }
  /* USER CODE END 3 */

実行結果

ch1:PA12(D2)

F303K8のBuild

Pinoutの設定

GPIOの設定で、PA12(ArduinoのD2)をOutputに設定し、PIN_CHK1とラベル付けします。

Clockの設定

HSE→PLLを使って最大クロックの72MHzでBuildすると正常動作しませんでした。

Debuggerで追いかけると、SystemClock_Config()のHAL_RCC_OscConfig()内でエラーが発生し、ErrorHandler()に制御が移ってしまうようです。HSI→PLLを使うと64MHzまでしか設定できませんが、正常動作します。こちらで測定しました。

実行結果

CH1:PA12(D2)

F446REのBuild

Pinoutの設定

GPIOの設定で、PA10(ArduinoのD2)をOutputに設定し、PIN_CHK1とラベル付けします。

Clockの設定

クロックはHSE→PLLで180MHzです。

実行結果

CH1:PA10(D2)

F767ZIのBuild

Pinoutの設定

GPIOの設定で、PF15(ArduinoのD2)をOutputに設定し、PIN_CHK1とラベル付けします。

Clockの設定

クロックはHSE→PLLで216MHzです。

実行時にエラーが発生するのでMXでETHを無効化します。

Connectiviy

ETH

Mode: Disable

実行結果

CH1:PF15(D2)

実行速度比較

機種名	パルス幅(ns)	周波数(MHz)	周期(ns)
G431KB	64	7.716	129.6
F303K8	312	1.522	657
F446RE	55	7.825	127.8
F767ZI	272	1.49	671

G431KBはF446REと同程度の速度でGPIOをHigh/Low出来るのがわかります。しかしF303K8が遅いの当然ですが、F767ZIが異常に遅い結果となりました。Clockが216MHzでコアがCortex-M7なのに何故なのでしょうか。

APB1 peripheral clocksが54MHzとなっているのが原因かと思いましたが、F446REもAPB1 peripheral clocksは45MHzです。

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製作モジュール一覧

2022年10月27日木曜日

I2C版 Nucleo-F446RE

MXの設定

ハードウェアの準備

ライブラリの準備

ソースコード

I2C信号波形

I2C版 Nucleo-G431KB

MXの設定

ライブラリの準備

ソースコード

I2C信号波形

SPI版 Nucleo-F446RE

MXの設定

ハードウェアの準備

ライブラリの準備

ソースコード

SPI信号波形

SPI版 Nucleo-G431KB

MXの設定

ハードウェアの準備

ライブラリの準備

重要：「ssd1306_conf_template.h」を「ssd1306_conf.h」にRenameします。

ソースコード

SPI信号波形

2022年10月24日月曜日

Nucleo-F446RE

MXの設定

ハードウェアの準備

ライブラリの準備

ソースコード

I2C信号波形

Nucleo-G431KB

MXの設定

ハードウェアの準備

ライブラリの準備

I2C Speed Mode

2021年9月5日日曜日

MXの設定

ソースコード(main.cに追加)

サイクル・カウンタで計測

① Run-Debug（F11）でDebug開始

② 希望の測定開始BreakPointまでコード実行（Resume,F8）

③ Window-Show View-Memory Browserを選択し、0xE0001000番地に移動

④ 0xE0001000のLSBビットを‘１’に変更（CYCLECOUNTERの開始）＊初回のみ

⑤ 希望の測定終了BreakPointまでコード実行（Resume,F8）

⑥ 0xE0001004の値を確認（= CYCLECOUNTERの値）

⑦ 以降の測定Pointについては、0xE0001004の値を‘0’に変えて、②⑤⑥の繰り返し（④の再設定は不要）

オシロでD2(PA10)の出力を観測

2021年8月12日木曜日

ソースコード(main.cに追加)

F446REの設定

MXの設定

プロジェクトの設定

F767ZIの設定

MXの設定

プロジェクトの設定

G431GBの設定

MXの設定

プロジェクトの設定

実行結果

2021年8月2日月曜日

ソースコード(Core/Src/main.cに追加)

各Nucleoボードの設定

G431KBの実行結果

UART出力

実行結果比較

他の開発環境

2021年7月29日木曜日

G431KBのBuild

Clockの設定

GPIO出力のの実行速度を測定

MXの設定

Projectの設定

ソースコード(Core/Src/main.cに追加)

実行結果

F303K8のBuild

Pinoutの設定

Clockの設定