STM32入門（組み込み開発）

■第９話：最適化とデバッグ

（最終更新日：2025.02.16）

「デバッグツールを上手に使おう」

組み込みシステム開発において、最適化とデバッグは不可欠なプロセスだ。 本章ではSTM32を例に取りながら、 デバッグツールの活用方法と低消費電力モードの効果的な使い方について詳しく解説する。

１.デバッグツールの活用法

デバッグツールを適切に使うことで、開発の効率を飛躍的に向上させることができる。 STM32の開発環境では、ブレークポイント、ステップ実行、CubeMonitor、SWV（Serial Wire Viewer）など、 強力なデバッグ機能が用意されている。

１.１ デバッグ機能（ブレークポイント、ステップ実行）

デバッグの基本となるのが、ブレークポイントとステップ実行だ。 IAR Embedded WorkbenchやSTM32CubeIDEでは、これらの機能を利用して、プログラムの動作を細かく検証できる。

ブレークポイント（Breakpoint）は、プログラムの特定の箇所で実行を一時停止させる機能だ。 使い方としては、バグが発生していると思われる箇所にブレークポイントを設定し、 プログラムを実行してブレークポイントで停止したら、変数やレジスタの値を確認する。

その際、ステップ実行（Step Over, Step Into）を行い、プログラムの流れを追いながら、バグの発生した箇所を特定する。 基本的な使い方は、Web開発やWindows向けのソフトウェア開発で使用されるデバッガーツールとほぼ一緒だ。 下記に使い方を簡単に記す。

デバッガーツール、ステップ実行の活用
1. Step Over（ステップオーバー）: 関数を一気に実行し、次の行に進む
2. Step Into（ステップイン）: 関数の中に入って詳細な動作を確認
3. Step Out（ステップアウト）: 関数から抜けて元の呼び出し元へ戻る

ステップ実行は、プログラムを1行ずつ実行しながらデバッグできる機能で、 これらの機能を駆使することで、意図しない動作をしている箇所を特定しやすくなる。

１.２ CubeMonitorやSWVでの動作確認

ブレークポイントやステップ実行に加え、CubeMonitorやSWV（Serial Wire Viewer）を活用すると、リアルタイムでシステムの動作を解析できる。 CubeMonitorは、STM32マイコンの動作をリアルタイムでモニタリングできるツールだ。 主な機能としては、変数のリアルタイム可視化、イベントトリガー、複数の変数を同時観測などがある。 CubeMonitorを使うことで、デバッグのために一時停止せずに、システムの挙動をモニタリングできる。 特に、リアルタイム処理を行う場合に有効になる。

一方、SWVは、STM32のデバッグインターフェース（SWD: Serial Wire Debug）を使い、CPUの動作をリアルタイムで解析できる機能だ。 変数の値をリアルタイムでトレースしたり、イベントの発生タイミングを測定したり、電力消費やCPU負荷を可視化することができる。 例えば、シリアル通信のデータの流れや、割り込みの発生タイミングを解析するのに便利である。

２.低消費電力モードの活用

組み込み機器では、特にバッテリー駆動時に低消費電力モードを適用することが重要だ。 STM32では、用途に応じてスリープモードやスタンバイモードを使い分けることで、消費電力を大幅に削減できる。

２.１ スリープモードとスタンバイモードの違い

スリープモードとスタンバイモードの違いを以下の表にまとめる。 スリープモードでは、CPUは停止するが、ペリフェラル（UART、タイマー）は動作が可能である。 一方、スタンバイモードではCPUとメモリが停止し、最低限の回路のみが動作する。

表：スリープモード、スタンバイモード

モード	消費電力	CPU	RAM	ウェイクアップ時間	主な用途
スリープモード	低い	一時停止	維持	短い	短時間のアイドル時
スタンバイモード	非常に低い	停止	消去（保持可能）	長い	長時間の待機

２.２ スリープモードの実装

スリープモードの移行は、HALを使うことで簡単に実装することができる。 下記のコードになる。PWR_MAINREGULATOR_ONはメインレギュレータを維持、PWR_SLEEPENTRY_WFIは割り込みが入るまで待機を意味する。 このモードでは、割り込みが発生するとすぐに復帰できる。

２.３ スタンバイモードの実装（HALライブラリを使用）

スタンバイモードへの移行も、HALを使うことで簡単に実装することができる。 RTCタイマーや外部ボタンで復帰可能である。下記のPWR_WAKEUP_PIN1はその外部ボタンにあたる。 また、SRAMの内容は保持されない。長時間待機する場合に有効な方法だ。

３.バッテリー駆動の実践例

STM32をバッテリーで動作させる場合、以下のような工夫をすると電力消費を抑えられる。

1. 不要なペリフェラルを無効化：I2C、SPI、ADCなど未使用の機能をオフにする
2. 低消費電力クロックを使用：HSEではなくMSIやLSEを活用
3. 通信間隔を最適化：BLEやWi-Fiの送信間隔を最適化
4. 省電力モードを適切に使う：アイドル時はスリープ、長時間待機はスタンバイ

具体的な応用例としては、ワイヤレスセンサーモジュール（定期的に測定し、データを送信するときのみ動作）、 スマートウォッチ（ユーザー操作時のみ画面をオンにし、操作がないときは低消費電力モード）などが挙げられる。

４.まとめ

デバッグツールを活用し、リアルタイムでプログラムの挙動を解析することで、開発効率を向上させることができる。 また、低消費電力モードを適切に設定することで、バッテリー駆動時の動作時間を延ばすことが可能だ。 本章の内容を活かして、デバッグと最適化をスムーズに進めていこう。

▼参考図書、サイト

  STM32マイコン公式日本語サイト 　STマイクロエレクトロニクス
 「WindowsではじめるSTM32」　インプレスR＆D　山本 小鉄