MCU → Linux
24.00 Mbps
40 MHz · 10分 · 1.80 GB
観測エラー 0実機測定レポート 2026.09.12
内部SPI3は、
どこまで速くなるか。
STM32U585とQRB2210の間で、クロック・DMA・転送サイズを変えて測定。標準構成の制約を越え、片方向で実効24 Mbpsに到達した。
STM32U585 MCU / SlaveSPI3 ⇄QRB2210 Linux / Master
連続転送で確認した速度
65,532 bytes / frame全二重 / 各方向
15.38 Mbps
約21.33 MHz · 10分 · 各1.15 GB
観測エラー 0Linux → MCU
15.34 Mbps
約21.33 MHz · 90秒 · 172.59 MB
観測エラー 0速度はヘッダーを除いた検証済みpayload。全二重は同時に流した両方向それぞれの値。クロックはレジスタから算出し、電気波形は未測定。
クロックだけでは、速度は決まらない。
標準API → DMA → 大きな転送単位
左は異なる構成の短時間探索。中央は要求22 MHz（算出約21.33 MHz）で各サイズ約8秒。右は10分間の連続検証。すべての条件を同じ時間測定したものではありません。
実験から分かったこと
観測と推定を分けて読む約1 Mbpsは、基板全体の限界ではなかった。
標準Zephyr同期API版は512 B・2 MHzで0.655 Mbps／方向。4 MHzでは17フレームすべてが破損しました。同じ512 B・4 MHzでもDMA版は10秒間、エラー0で転送できました。
DMA化に加え、転送の準備が整ってからREADYを通知する同期方式も変更しています。
小さいブロックでは、処理の手間が効く。
全二重のサイズ探索では、64 Bで約0.075 Mbps、4 KBで5.93 Mbps、32 KBで12.70 Mbps、65,532 Bで14.87 Mbps／方向。大きな転送は効率が上がる一方、RAMと1フレーム分の待ち時間が増えます。
CRCとワード幅にも改善の余地があった。
32 KB・要求22 MHzでは、MCUのソフトCRCで11.55 Mbps、ハードウェアCRCで12.48 Mbps、さらにLinuxを32ビット転送ワードにして13.31 Mbps／方向になりました。いずれも短時間の比較です。
残る時間差は、主にSPI呼び出しの中。
40 MHzの片方向試験でSPI呼び出しは平均20.27 ms。隙間なくクロックを出した場合の13.11 msより長く、READY待ちは10分間で合計0.56秒でした。Linux側のDMA利用も確認済み。CS操作やドライバ内の待ち時間が次の調査候補です。
40 MHzクロック ≠ 40 Mbpsの実効転送
MCU→Linuxの最大連続実効速度は24.00 Mbps。全二重40 MHzを達成したという結果ではありません。MOSI経路のレベル変換IC TXS0101の1.8/3.3 V条件は22 Mbpsのため、MOSIにデータを流す試験は要求22 MHzまでとしました。
43試験の実測データ
CSVをダウンロード成功だけでなく、初期化失敗や意図的な異常注入も含みます。連続検証と短時間探索を区別して比較してください。
| 試験 / 状態 | 方向 | 要求 MHz | 算出 MHz | フレーム B | MCU → Linux | Linux → MCU | 秒 | CRC / ACK / MCU異常 | Timeout / I/O | CPU % |
|---|
「—」は未計測または該当方向にbulkデータを流していない項目。算出クロックが0または欠落する初期データを、実クロック0 MHzとは扱っていません。
「エラー0」を、検証する。
CRC32 / 連番 / ACK / 受信カウンタ
送信データを意図的に1ビット壊した試験では、MCUが異常1件、LinuxがACK不一致1件を検出して異常終了しました。CRC32はすべての誤りを必ず検出するものではなく、「エラー0」は今回の時間・データ量で異常を観測しなかったことを表します。
測定条件と、この結果の範囲
構成・測定方法
STM32U585をSlave、QRB2210/LinuxをMasterとした内部SPI3、Mode 0。STM32はZephyr / Arduino、LinuxはネイティブCとspidev。DMA版はGPDMAチャネル6/7を使用しました。MIC・LCD・音声・STT処理は含めていません。
固定seedの疑似乱数payloadをRAMに用意し、32 BのヘッダーでCRCと連番等を検証。初回フレームと最後の未ACKフレームを適切に除外した検証済みpayloadを速度としています。最大フレームは65,532 B、payloadは65,500 Bです。
40 MHzの条件と、未検証の項目
40 MHzはMOSIを一定にしたMCU→Linux専用モードの観測値です。VDDIO2補償は有効ですが、HSLVは既存オプションバイトにより無効のまま。データシートの全条件を満たす保証試験ではありません。
1台・USB接続中での結果です。電源条件の比較、物理的な電源再投入、温度掃引、複数台、UART/RPCや他の周辺機器との同時負荷は未検証。全クロック×全サイズの総当たりでも、絶対的な性能限界の証明でもありません。
CPU負荷・メモリ・使い始める設定
MCU全体のCPU率は未計測。LinuxプロセスCPU率は片方向40 MHzの10分試験で9.656%、全二重の10分試験で6.613%（1コア=100%）。別途、全二重試験内180秒のLinux全体を観測し、全コア合計のbusy率は約2.89%でした。後者にはSPI以外の処理も含まれます。
最大フレームのTX/RXバッファは合計131,064 B。スケッチ用RAM枠262,144 Bに対するグローバル領域は162,000 B。bulk転送の開発開始候補は16 MHz・65,532 B・DMAで、30秒の実測は各方向12.50 Mbps。量産認定値ではなく、低遅延が必要ならブロックを減らす選択になります。
クロックの読み方
分周レジスタとクロック源レートから算出しています。要求22 MHzは約21.333 MHz、要求36/38 MHzは約33.333 MHz、要求40 MHzは40 MHz。オシロスコープによる波形測定はしておらず、元データのactual_wire_hzはnullのままです。
データと再現用の資料
CSV、未加工の測定結果、コード・プロトコル・実行手順をまとめて確認できます。
実験用ファームウェアには、すべての切断や異常からの自動復旧、他用途とのDMA資源共有は実装していません。