今更だけど。 ESP32とSTM32とArduinoについて書いてみる

がじぇっとりっぷではSBC(シングルボードコンピューター)の記事をよく書いていますが、さらに小型の領域に、マイコン(マイクロコントローラー)というものがあります。

1年くらい前からネタにしようとは思いつつも先延ばしにしていたので、2021年に取り組む新ジャンルとして、マイコンについても少し記事を書いていこうかと思っています。

ただ、マイコンの世界は深いし、がじぇっとりっぷも詳しいわけではないので、主に記事にするのはESP32とSTM32、Arduinoくらいですね。

ここで書かれていることはがじぇっとりっぷの私見です。本業の方の意見とは異なっている場合があること、ご了承下さい。また、ツッコミも歓迎です。

マイコンとは
SBCでいいんじゃ？
それぞれの比較
ESP32とは
STM32とは
Arduinoとは
まとめ
関連リンク

マイコンとは

マイコン(マイクロコントローラー)を一言で言うと「基本機能を全部持ったチップ」となります。

マイコンの定義としてよく言われるのが「演算・制御装置(CPU)、メモリ装置(RAM・ROM・フラッシュメモリー)、タイマー回路、入出力回路(I/O)を1つの集積回路に組み込んだもの」です。要はコンピューターとしての基本機能ですね。

一番身近な例では炊飯器でしょう。マイコン炊飯器なんて謳い文句があったくらいですし。

・ボタンで入力
・炊き方を制御するプログラム(を保存するROM)
・炊飯時間を計るタイマー
・それらの処理を行うCPU

見ての通り、マイコンの定義要件をすべて含んでいます。

マイコンという言葉は元々はチップ単体を示していましたが、現在ではマイコンチップを搭載したボード全体を指すこともあります。

ここで紹介する「ESP32」「STM32」「Arduino」は、言ってしまえば組み込みチップの開発用(兼本番用)です。機能を絞って特化させていないので、汎用マイコンなんて言う呼び方をされることもあります。

SBCでいいんじゃ？

身も蓋もない言い方になりますが、マイコンでできることはSBC(シングルボードコンピューター)であれば大体できます。

というか、実際組み込みの現場でも調達が容易でドキュメントも揃っている「Raspberry Pi」を使っているなんてことも増えています。

ではなぜマイコンかというと、一言で言っちゃうと、SBCだとオーバースペックだからです。炊飯器にWEBサーバーを建てるような処理性能は…あっても困らないかもしれないけど、性能をフルに発揮する場面なんてないですよね？

消費電力も大きく違います。
マイコンの世界では消費電力はmA(ミリアンペア)のオーダーで、高くても1Wとか2W程度です。

スリープ時はμA(マイクロアンペア)単位になるため、間欠動作させることで乾電池で数か月動作した、なんて事例が多数存在しています。これはSBCでは真似できない点でしょう。

また、応答性という点でもマイコンに分があります。
SBCでは入力から出力まで数ms(1ms=1/1000秒)かかりますが、マイコンだとモノによっては数十μs(1μs=100万分の1秒)程度です。

モーターの制御などms単位だと遅すぎる、リアルタイム性が求められる分野ではマイコンが使われたりします。

それぞれの比較

	ESP32	STM32	Arduino
開発元	Espressif Systems	STMicroelectronics	Arduino
CPU	Tensilica Xtensa LX6	Cortex-M0～M7	ATmega Cortex-M0+
動作周波数	160 / 240MHz	32～550MHz	16～48MHz
RAM	最大520KB	最大1MB	最大32KB
ROM	最大16MB	最大2MB	最大256KB
Wi-fi	802.11 b/g/n/e/i	×	一部対応
Bluetooth	4.2	×	一部対応
LoRa		一部対応	シールドで対応
OS	FreeRTOS Zephyr NuttX MongooseOS	FreeRTOS μITRON embOS ThreadX	なし FreeRTOS
言語	Arduino C/C++/C# Python(MicroPython) JavaScript Lua mRuby Lisp	C Python	Arduino C/C++

ESP32とは

開発元サイト
 WikiPedia

ESP32とは2016年にEspressif Systems社が開発したマイコンで、馬鹿みたいに安いのにWi-fiを内蔵しているのが大きな特徴です(技適取得済みモデルもあるので国内でも使えます)。2014年に登場した前世代のESP8266(Wikipedia)も、ESP32よりスペックは低いながらもその分消費電力が低いということで、現役で販売されています。

マイコンですが割と性能が高くて汎用性があり、がじぇっとりっぷが2018年に紹介した「ODROID-GO」は、SoCにESP32を使っていました。

Hardkernel社のODROIDシリーズ10週年モデル「ODROID-GO」はゲームボーイライクな組み立てポータブルゲームキット

また、Wi-fiを備えているということで農業IoT(ハウス内の温度・湿度管理とか)でも注目を集めています。

単体だと500円くらいですが、ピンと電源を使いやすくしたボードが多く出ており、そちらは700円くらいからです。

VKLSVAN ESP32 ESP-32S NodeMCUマイクロUSBデュアルコア開発ボードモジュール 2.4GHz ワイヤレスWiFi + Bluetoothデュアルモード ESP-WROOM-32モジュール内臓マイクロコントローラ

VKLSVAN

最近ではESP32にディスプレイ、microSDカードスロット、スピーカー、ボタンを一つの筐体にまとめた「M5Stack」がマイコン界隈ではブームになっています。

M5Stack拡張可能なマイクロ制御モジュールWiFi Bluetooth ESP32開発キットArduino LCD用2インチLCD ESP-32内蔵ESP8266 (1セット)

created by Rinker

M5Stack

プログラム開発は「Arduino IDE」が一番に挙げられますが、Visual Studioなどを使うこともできますし、極論コンパイルと流し込みができればテキストエディタで書いても問題ありません。

現在はESP32に対応したIDEやプラグインがいろいろ出ているので、まずは今お使いの開発環境をESP32対応にできるか調べた方がいいでしょう。

「M5Stack」の影響か、画像処理関連の情報が充実しているのもESP32の特徴ですね。

STM32とは

開発元サイト
 Wikipedia ※英語

STM32とは2007年にスイスのSTMicroelectronicsが開発したArm Cortex-M搭載マイコンの総称です。当時は「世界で初めてArm Cortex-Mを搭載した」のだとか。

現在ではSTMicroelectronicsは汎用マイコン市場では世界2位のシェアを誇っています。

余談ですが、2015年までシェア1位だった日本のルネサスは、3位にまで落ちています。

機能・用途別に仕様が異なったモデルが大量にあり(あらゆる用途に応えることでシェアを伸ばした)、公式サイトでは16シリーズ1100余モデルが掲載されています。

STMicroelectronicsでは既存のMCU(Micro Controll Unit)より上位のMPU(Micro Processing Unit)に分類しているCortex-A7搭載モデルを2019年に発表していますが、最大でデュアルコア800MHz駆動とかいう、それ本当にマイコン？って言いたくなる代物になっています。