絶対にわかる組み込みソフトウェア 2: C言語でLED点灯(Lチカ)制御

ソースコード

/* file name : main.c */
#include <bcm_host.h>		/* required to use bcm_host_get_peripheral_address() */
#include <fcntl.h>		/* required to use open(), close(), usleep() */
#include <sys/mman.h>		/* required to use mmap(), munmap() */
#define BLOCK_SIZE	(4096)			/* マッピングするメモリサイズ(4KByte) */
#define	GPIO_OFFSET	(0x00200000)		/* see p.91 of dataseet		*/
#define	GPFSEL0		(0x00)			/* GPFSEL0 Address下位1byte	*/
#define	GPSET0		(0x1c)			/* GPFSET0 Address下位1byte	*/
#define	GPCLR0		(0x28)			/* GPFCLR0 Address下位1byte	*/
int main( void )
{
volatile	unsigned int *gpio;
void *map;
int fd;
int adr_gpio_base;
int i = 0;
/*==========================================================*/
/* GPIO制御レジスタ・アドレスを取得し、map変数に代入する	*/
/*==========================================================*/
fd = open( "/dev/mem", (O_RDWR | O_SYNC) );
/* open()エラー処理割愛 */
;
/*------------------------------------------------------------------------------------------*/
/* refer to									*/
/* https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/peripheral_addresses.md*/
/*											*/
/* ペリフェラル物理アドレスがラズパイ世代で異なる為、互換性を持たせる為に			*/
/* bcm_host_get_peripheral_address()でプログラム実行マシンの上の物理アドレスを取得する	*/
/*------------------------------------------------------------------------------------------*/
adr_gpio_base = bcm_host_get_peripheral_address();
/* mapにペリフェラル物理アドレスをマッピング */
map = mmap( NULL,
BLOCK_SIZE,
PROT_WRITE,
MAP_SHARED,
fd,
(adr_gpio_base + GPIO_OFFSET) );
/* mmap()エラー処理割愛 */
;
close( fd );
/*==========================================================*/
/* GPIO 2pin 初期設定					*/
/*==========================================================*/
gpio = (unsigned int *)map;
gpio[GPFSEL0/4]	|= 0x00000040;
gpio[GPCLR0/4]	|= 0x00000002;
usleep( 500000 );
/*==========================================================*/
/* LED点滅処理						*/
/*==========================================================*/
while (i < 5 ){
gpio[GPSET0/4]	|= 0x00000002;
usleep( 250000 );
gpio[GPCLR0/4]	|= 0x00000002;
usleep( 250000 );
i++;
}
gpio[GPFSEL0/4]	&= 0xfffffffb; /* INPUTに戻す(無くても良い処理) */
munmap( map, BLOCK_SIZE );
return 0;
}

最低限の処理だけ書いた為、エラー発生時にどうするか等の処理は割愛しています。

プログラムの説明

前回のpythonで実行させた時と同じく、GPIO 2番ピンを使っています。

プログラムの内容は、

1. GPIO制御レジスタのアドレスを取得 (bcm_host_get_peripheral_address())
2. map変数を介して、GPIO制御レジスタにアクセスできるようにする
3. GPIO 2pinを出力設定にする (gpio[GPFSEL0/4] |= 0x00000040)
4. GPIO 2pin の出力をLO出力してLEDを消灯 (gpio[GPCLR0/4] |= 0x00000002)
5. 500ミリ秒ウェイト(usleep)
6. GPIO 2pin の出力HI出力してLEDを点灯 (gpio[GPSET0/4] |= 0x00000002)
7. 250ミリ秒ウェイト(usleep)
8. GPIO 2pin の出力をLO出力してLEDを消灯 (gpio[GPCLR0/4] |= 0x00000002)
9. 250ミリ秒ウェイト(usleep)
10. 上記を5回繰り返す (while (i < 5 ))

となっています。

前回のpythonのソースコードと比較すると、何をしているのかサッパリわからないと思います。
また、今回のソースコードは必要最小限のライブラリしか使用していない為、C言語を理解している人でも、デバイスの制御仕様を理解しないと意味がわかりません。

GPIOの制御仕様(データシート)はラズパイ公式サイトから入手できます。
https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/bcm2835/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf
(Raspberry Pi Documentation より)
p.89の「6 General Purpose I/O (GPIO)」の仕様を読みソースコードを書きました。
この項を読むとソースコードが何をやっているのかわかるので、C言語を知っている方は次回の説明までにソース解析に是非挑戦してみて下さい。

プログラムの実行方法

$ gcc main.c -I/opt/vc/include -L/opt/vc/lib -lbcm_host
$ sudo ./a.out

gccコンパイラでmain.cをコンパイルします。
上述の通り、コンパイル→アセンブル→リンクまで行います。

今回のプログラムはbcm_hostライブラリを使用しているので、この機能をプログラムに組み込む(＝リンクさせる)為に、-lオプションでbcm_hostライブラリの場所を指定しています。
このオプションを付けずにgccを走らせると、リンカーがbcm_hostライブラリの所在がわからず、実行ファイルにライブラリを結合する事ができないエラーが発生します。

プログラム実行は”./a.out”と入力してENTERを押せば良いのですが、メモリ・アクセスには特権レベル(スーパー・ユーザー)が必要な為、sudoコマンドでa.outを特権レベルで実行させます。特権レベルが無いと、OSがメモリ保護を行っており、与えられたメモリ空間外へのアクセスを禁止している為です。
sudo をつけなかった場合、メモリ・アクセスができずにエラーでプログラムは動作しません。

プログラムの実行結果

ご覧いただき、ありがとうございました。
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