マイコンのプログラミング

実験用CPUボードの概要

• CPU(Cypress CY7C68013, EZUSB-FX2; 動作クロック24MHz・内蔵RAM=8.5KB)
• 発光ダイオード(LED)(8個)
• プッシュスイッチ(8個)
• 7セグメントLED(4桁)(制御回路付き)
• メモリ(RAM)：8KB
• A/D変換器(8ビット精度)
• D/A変換器(8ビット精度)

これらが、次の図のように接続されています。

まずはここでは、この全体構成図の詳細までみる必要はありません。 載っているLEDやスイッチなどが、CPUが実行する プログラムによって制御できるんだ、ということだけ、 頭に入れておいてください。

メモリマップドI/O

「CPUがプログラムを実行する」とは、メモリに入っている プログラム(作業手順書)を順に「読み出し」、解釈して 実行し、必要に応じて結果をメモリに「書き込む」こと、 と言うことができます。

そしてメモリから命令やデータを読み書きするときには、 メモリの中の場所を「アドレス(address)」という数値によって 指定をするのでした。

このボードでは、LEDやスイッチなどの、入出力装置(Input/Output; I/Oと略記します)も、この「メモリに対する読み書き(アクセス)」と 同様に行うことができるようになっています。 このような仕組みを メモリマップドI/O (Memory-mapped I/O)と呼びます。

具体的には、それぞれのI/O装置が、次のように 割り当て(memory-mapped)されています。

I/O装置	アドレス(16進数表記)	アクセス方法
7セグメントLED(0桁目)	0x4000番地	書き込み
7セグメントLED(1桁目)	0x4001番地	書き込み
7セグメントLED(2桁目)	0x4002番地	書き込み
7セグメントLED(3桁目)	0x4003番地	書き込み
スイッチ(8個)	0x4004番地	読み出し
LED(8個)	0x4005番地	書き込み

ちなみに0x***という表記は、***が16進数であることを表すC言語風の表記です。 つまち0x4000とは、16進数で「4000」であることを表します。(よんせん、ではない)

例えば、0x4004番地を「読み出す」と、スイッチの状態がわかり、 0x4000番地に数値を「書き込む」と、7セグメントLEDの0桁目(右端)の 表示を設定できる、というわけです。

なお、書き込み用のものを読み出そうとしても、 正しい値を読み出すことはできません。 つまり右端の7セグメントLEDに表示されている値を調べようと思って、 次のような記述をしても、正しい値は得られません。 (正しくない値が代入される可能性が高い。 偶然表示されている値が得られることもあるが、 得られないことも多い。)

  i = num0; /* NG (read)  */

LED・SWの操作

volatile BYTE xdata num0       _at_ 0x4000;  // 0 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata num1       _at_ 0x4001;  // 1 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata num2       _at_ 0x4002;  // 2 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata num3       _at_ 0x4003;  // 3 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata sw         _at_ 0x4004;  // SWs
volatile BYTE xdata led        _at_ 0x4005;  // LEDs

例えばこの変数ledに、次のように値0x81を代入するとします。

  led = 0x81;

同様に例えば、 1バイトの変数swの値を読み出すと 8個のスイッチそれぞれの状態がわかることになります。 つまり8ビットのそれぞれが8個のスイッチに対応し、 最上位が左端のSW7、最下位が右端のSW0の値をあらわし、 各スイッチが押されていれば、その桁(ビット)の値が1に、 押されていなければ0になります。 そこで、例えばSW3の値をif文で調べたければ、 次のように書けばよいでしょう。

  if ((sw & 0x08) != 0){
    ..

まず実験用のフォルダを作成します。 マイコンピュータ→Zドライブの中、または、「マイ ドキュメント」の中に、 実験第1用のフォルダを作成します。 今後の作業はすべてこの中で行うことにします。 なお、「Zドライブ」または「マイ ドキュメント」に置いたファイルは どのパソコンでも共有されます。

まず、先ほどのフォルダ内に、適当な名称で、これからの作業用の フォルダを作成します。 そこにサンプルプログラムとして、 sample.c と sample.Uv2 をダウンロードします。 今後、別のプログラムを作成するときは、適宜別のフォルダを作成し、 その中にこの2つをダウンロードして、それを編集するようにします。 また、作成したプログラムを残しながら、かつ、それを変更していきたい場合には、 フォルダをまるごとコピーします。 単にsample.cをコピーして、 コピー先の新しいファイルを編集しようとしてもうまくいきません。

その中にあるsample.Uv2の次のアイコンをダブルクリックすると、 コンパイラなどが統合された開発環境uVision2が起動します。


この左側のウインドウ内の、Target1→SourceGroup1と順に +マークをクリックすると、sample.cが見つかるはずですので、 それをダブルクリックすると、右側のウインドウに、 プログラムsample.cの内容が表示されます。

#include "Fx2.h"
#include "Fx2regs.h"

// definition of memory-mapped I/O devices and external memories
volatile BYTE xdata num0       _at_ 0x4000;  // 0 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata num1       _at_ 0x4001;  // 1 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata num2       _at_ 0x4002;  // 2 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata num3       _at_ 0x4003;  // 3 digit of 7seg.LED
volatile BYTE xdata sw         _at_ 0x4004;  // SWs
volatile BYTE xdata led        _at_ 0x4005;  // LEDs

main()
{
  // initialization
  CKCON |= 0x07; OEE = 0xef;
  led = 0; num0 = 10; num1 = 10; num2 = 10; num3 = 10;

  while(1){
    // write your code here
  }
}

  while(1){
    // write your code here
    led = sw;
  }

プログラムの転送・実行

ボードとパソコンのUSBポートをケーブルで接続します。 (このとき、最初だけドライバのインストールが行われることがあります) このとき、8個のLEDのすべてまたは一部が点灯することがありますが、 ここでは気にしなくてかまいません。

その後、 デスクトップ上にある"EZ-USB Control Panel"をダブルクリックして EZ-USB Control Panel(以下、ControlPanelと略記)を起動します。 起動すると、次のような画面になっているはずです。 なおControlPanelの中央上の「Target」のところが"FX2"となっていることを 確認しておいてください。

もしこのようになっていないときや、"No EZ-USB Device Found"と 表示されるときは、 ボードの接続を確認し、[Open All]ボタンを押してみましょう。

続いて、コンパイルしたプログラムを、ボードに転送します。 [Download]ボタンを押すと、転送するプログラムファイルを選ぶ 画面が現れますので、さきほど作成したフォルダ内の sample.hexを選択します。

すると転送が行われ、直ちにプログラムの実行が開始されます。

なお2回目以降プログラムを転送するとき、 同じプログラムファイルを修正しただけであれば、 uVision2でコンパイル後に、ControlPanelで[Re-Load]ボタンを 押すだけで転送・実行が行われます。 (つまり毎回転送するプログラムファイルを選択する必要がない) ちなみに[HOLD]ボタンでCPUをリセットさせることができます。 また[RUN]ボタンで、プログラムの実行を停止・再開することができます。

演習

7セグメントLEDの操作

そしてプログラム側から見えるのは、 それぞれの桁に表示させたい値(0〜9)を、 それぞれのメモリマップドI/Oのアドレスに書き込むだけで その値が表示されます。 例えば0桁目に「3」と表示させたければ、 次のように記述すればよいことになります。

  num0 = 3;

演習

void ShowInt(int d)
{
  // write your code here
}

ヒント:

• 0を表示するとき、「0000」ではなく、右端の7セグメントLEDのみ「0」と 表示し、残りは消灯しておくのも一案です。 (このような操作をゼロ・サプレス(zero suppress)と呼びます)
• 絶対値が9999を超えたことがわかるようにしても良いでしょう。 例えば、7セグメントLEDを全て消す、 LED6が点灯する、 LED0〜LED3に万の桁を2進数表示する、などです。

演習

ただし、 表示させる0〜9999の数値は 内部ではint型の変数一個に保持させることとし、 その変数の値から千の位〜一の位をそれぞれ求め、 それらを7セグメントLEDに表示させることとします。

ヒント：

• 一定時間を待つには、for文で空文を一定回数実行するか、 void EZUSB_Delay(WORD x)という、xミリ秒間待つ機能を持つ ライブラリ関数を利用します。 たとえば EZUSB_Delay(100); で、100ミリ秒(=0.1秒)待つことができます。
• スイッチの扱いは、(a)スイッチを押している間は増加などが起こる、 (b)スイッチを1回押して離すと増加が起こる(押し続けても1回だけ)、 の2通りが考えられます。
• 無限ループ「while (1) { … }」と カウンタ付きループ「for (i = 0; i < 10000; i++) { … }」を 使い分けよう。
• スイッチの状態は変数swで調べられます。

変数の型とビット数と数値の限界

一般には、ある型が何ビット(何バイト)であるかは、一定ではなく、 CPUの種類や用いるコンパイラに依存します。 変数の型が何バイトであるかはsizeofという演算子で得ることができます。 「sizeof (データ型)」という式は、 「データ型」が必要とするバイト数を与えます。 「sizeof 変数名」は、「変数名」のバイト数を与えます。

このバイト数は、その変数に代入できる数値の限界に関係してきます。 例えば符号なし8ビット(unsigned char型)では0〜255の数値を表現できます。 代入できる数値の限界には、符号の有無も関係しています。 同じ8ビット(1バイト)であっても、 符号つき8ビット(char型)では-128〜127になります。 このように変数がプログラム中でとりうる値に 注意する必要があります。

演習

  num3 = sizeof(long);
  num2 = sizeof(int);
  num1 = sizeof(short);
  num0 = sizeof(char);

演習

  unsigned char x;
  char y;

  x = 255;
  x = x + 1;

  y = 128;

  y = 16 * 17;

  y = 16 * 16;

  y = 16 * 15;

  y = 16 * 8;

D/A変換器・A/D変換器

I/Oポート

I/Oポートを使用するときには、プログラムの最初に、 各ピンを入力あるいは出力のどちらとして使用するかを 設定する必要があります。 この設定はOEE(Output Enable E)という特殊な変数(実際には メモリマップドされた1バイト変数)に値を書き込むことで行います。 具体的には、出力として使用したいピンの桁を1、 入力として使用したいピンの桁を0とした8ビットの2進数(1バイト)の 値を設定します。

演習

I/Oポートの操作

例えばPE0が出力として設定されているとして、 IOEの0ビット目を1にすると、PE0の値が1(つまり高い電圧3V)となります。

逆にPE3が入力として設定されているとすると、 IOEの3ビット目を読み取ると、PE3に加えられている電圧が 高い(3V=1)か低い(0V=0)かを知ることができます。

ビット演算・シフト

ビット操作は、AND演算子(&)やOR演算子(|)やNOT演算子(~)を用いて 変数の中の特定のビットのみを操作する技法で、 例えば次のような記述によって行うことができます。

変数aの0ビット目(最下位ビット)のみを1にする	a = a | 0x01;
変数aの2ビット目のみを1にする	a = a | 0x04;
変数aの4ビット目のみを0にする	a = a & ~0x10;
変数aの6ビット目が0であるかを調べる	(a & 0x40)==0

また数ビットだけ左または右にシフトするための 演算子として、「<<」と「>>」があります。 例えば「a >> 1」は、変数aの値を1ビットだけ右にシフトした 値をあらわすことになります。 したがって例えば a = 0x32; であれば、 「a >> 1」は0x19となることになります。 なお、「a >> 1」自体は、変数aの値を1ビット右にシフトした値を計算しますが、 変数aに格納されている値自体は変化させないことに注意してください。

演習

演習

D/A変換器のいじり方

このD/A変換器の扱い方を知るためには、 D/A変換器TLV5626のデータシートを 読むことになります。 要点は、次のようなことになります。

• SCLK、DIN、/CSという3本の信号線で制御される
• これらを、p.6のFigure1(図1)のように変化させて与える

1. /CS=1, SCLK=1の状態から始める
2. まず/CS=0とする
3. 最初のデータ(ビット)をDINに設定し、SCLK=0とする
4. 少し待つ
5. SCLK=1とする
6. 少し待つ
7. 3.〜6.を16回繰り返す
8. /CS=1とする

つまりD/A変換器TLV5626へのデータの転送は16ビット(2バイト)を 単位として行うことになります。

そして送るべきデータは、次の2組の16ビット(2バイト)となることが 記述されています。

• 0xd0 と 0x02 の組 (動作:内部参照電圧を設定する)
• [0xc0と出力値の上位4ビットを下位4ビットにシフトした値] と [出力値の下位4ビットを上位4ビットにシフトした値] の組

この「出力値」を、上位4ビットと下位4ビットにわけ、 D/A変換器に送ることになるわけですが、 例えば値0x12を送る場合には、2回目の転送で 次のような2バイトを送ることになります。

• 1バイト目: 0xc1
• 2バイト目: 0x20

演習

(ヒント：出力値が、どのように2バイトのデータに埋め込まれているか、 を考えるのがポイント。 1バイト目の上位4ビット (16進数の上位桁) 「0xc」は、 おまじないと考えてかまいません。 何故「0xc」になるのかを考える必要はありません。)

D/A変換器への値の転送プログラム

• CS_DAC(x) : D/A変換器の/CSの値をx(x=0 or 1)に設定する
• CK(x) : D/A変換器のSCLKの値をx(x=0 or 1)に設定する
• DACwrite_byte(x) : SCLKとDINを操作し、D/A変換器に1バイトの値xを 転送する

void DACwrite(unsigned char d)
{
  /* 内部参照電圧を設定するおまじない */
  CS_DAC(1); CK(1); /* 初期状態 */
  CS_DAC(0);
  DACwrite_byte(0xd0); DACwrite_byte(0x02);
  CS_DAC(1);

  /* 出力値dに対応する電圧を発生させる */
  CS_DAC(0);
  DACwrite_byte(0xc0 | (d >> 4));
  DACwrite_byte(d << 4);
  CS_DAC(1);
}

演習

(第1日目はこのあたりまでを目安とするとよいでしょう。 もっと先まで進んでおくと第2日目が楽になります。)

D/A変換器の操作

• SCLK : PE0
• /CS : PE2
• DIN : PE3

/* CK(d): D/A変換器のSCLKをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void CK(char d)    {if (d == 1) IOE |= 0x01; else IOE &= ~0x01;}

/* CS_DAC(d): D/A変換器の/CSをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void CS_DAC(char d){if (d == 1) IOE |= 0x04; else IOE &= ~0x04;}

/* DO_DAC(d): D/A変換器のDINをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void DO_DAC(char d){if (d == 1) IOE |= 0x08; else IOE &= ~0x08;}

演習

演習

A/D変換器

• CLOCK、DATAOUT、/CSという3本の信号線で制御される
• これらを、p.3の図のように変化させて与え、DATAOUTを読み取る

• CLOCK : PE0
• /CS : PE1
• DATAOUT : PE4

なお/CS=0の期間にCLOCKを8回与える箇所が2回ありますが、 この1回目でアナログ電圧をディジタル値に変換だけ行われ、その結果を2回目に読み出しているためです。 そのため必ず2回必要です。

演習

A/D変換器の操作

/* CK(d): D/A変換器のSCLKをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void CK(char d)    {if (d == 1) IOE |= 0x01; else IOE &= ~0x01;}

/* CS_ADC(d): A/D変換器の/CSをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void CS_ADC(char d){if (d == 1) IOE |= 0x02; else IOE &= ~0x02;}

/* CS_DAC(d): D/A変換器の/CSをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void CS_DAC(char d){if (d == 1) IOE |= 0x04; else IOE &= ~0x04;}

/* DO_DAC(d): D/A変換器のDINをd (d=0 or 1)に設定する関数 */
void DO_DAC(char d){if (d == 1) IOE |= 0x08; else IOE &= ~0x08;}

/* DI_ADC(): A/D変換器のDATAOUTを読み取る関数 */
char DI_ADC(){if ((IOE & 0x10) == 0) return(0); else return(1);}

演習

インバータの入出力電圧特性の計測

SN7404はインバータ(否定ゲート)が6個入ったICです。

このボードのVDDを電源電圧(+5V)、GNDをグランド(0V)に接続し、 INに与える電圧を変えたときにOUTに現れる電圧の 関係を調べてみることにします。

インバータでは、入力が0(低い電圧)のときには出力が1(高い電圧)、 入力が1(高い電圧)のときには出力が0(低い電圧)となるはずですので、 おおまかには次のようなグラフとなると考えられます (図の横軸はかなりいい加減です)。

そこでD/A変換器の出力である「Aout」をインバータのINに、 またインバータの出力をA/D変換器の入力である「Ain」に、 ケーブルを用いて接続します。

演習

注意とヒント：

• 実験用CPUボードのCコンパイラでは実数型 (floatとdouble) を 使えません。
• 実定数も使えません。
  1.0などの小数点を含む定数、1e-10などの指数を含む定数は 使えません。
• 小数点以下1桁の実数値を扱いたい場合には、 10倍 (100倍や1000倍でも可) して整数演算すると良いでしょう。
• 整数型のビット数や 代入できる数値の限界 に注意しましょう。
• 接続ケーブルの配線