配線図

配線図は前回の記事に記載していますので、そちらを御覧下さい。

Please refer to the previous article for the wiring diagram.

絶対にわかる組み込みソフトウェア 7: 4桁7セグLED点灯制御～回路図紹介～ – 鬱リーマン、デイトレとパチスロと不毛な日々

７セグのデータシート

データシートは前回の記事に記載していますので、そちらを御覧下さい。

Please refer to the previous article for the datasheet.

絶対にわかる組み込みソフトウェア 7: 4桁7セグLED点灯制御～回路図紹介～ – 鬱リーマン、デイトレとパチスロと不毛な日々

ソースコード

#include <stdio.h>
#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	GPFSEL1		(0x04)			/* GPFSEL1 Address下位1byte	*/
#define	GPFSEL2		(0x08)			/* GPFSEL2 Address下位1byte	*/
#define	GPSET0		(0x1c)			/* GPSET0  Address下位1byte	*/
#define	GPCLR0		(0x28)			/* GPCLR0  Address下位1byte	*/
#define	GPLEV0		(0x34)			/* GPLEV0  Address下位1byte */
char seg_map[11][8] = {
    /*13 14 18 19 23 24 25 26 pin */
    /*DP  B  F  C  A  E  D  G segment */
    {  0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0 },	/* 0 */
    {  0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 0 },	/* 1 */
    {  0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1 },	/* 2 */
    {  0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1 },	/* 3 */
    {  0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1 },	/* 4 */
    {  0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1 },	/* 5 */
    {  0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1 },	/* 6 */
    {  0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0 },	/* 7 */
    {  0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 },	/* 8 */
    {  0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1 },	/* 9 */
    {  1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 }		/* DP */
};
int	getSegData( int num );

/****************************************************************/
/* main function						*/
/****************************************************************/
int main( void )
{
    volatile	unsigned int *gpio;
    void *map;
    int fd;
    int adr_gpio_base;
    int sleep_time;
    int i = 0;
    int j = 0;
    int k = 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 初期設定						*/
    /*==========================================================*/
    gpio = (unsigned int *)map;
    gpio[GPFSEL0/4]	= 0x00001040;	/* FSEL2,4 */
    gpio[GPFSEL1/4]	= 0x09009200;	/* FSEL13,14,15,18,19 */
    gpio[GPFSEL2/4]	= 0x00049208;	/* FSEL21,23,24,25,26 */
    gpio[GPSET0/4]	= 0x07ACE014;	/* GPIO Pin Output Set Registers */
    gpio[GPCLR0/4]	= 0x00000000;
    gpio[GPLEV0/4]	= 0x0;
    usleep( 100000 );
    /*==========================================================*/
    /* 7seg点灯処理						*/
    /*==========================================================*/
    sleep_time = 150000;
    for( k = 0; k < 200; k++ ){
        /*--------------------------------------*/
        /* digit select				*/
        /*--------------------------------------*/
        for( j = 0; j < 4; j++ ){
            gpio[GPCLR0/4]	= 0x00208014;	/* DIGIT selector ALL LO */
            switch( j ){
                case 0:	/* DIGIT.1 */
                    gpio[GPSET0/4] = 0x00008000;	/* GPIO 15 HI */
                    break;
                case 1:	/* DIGIT.2 */
                    gpio[GPSET0/4] = 0x00000010;	/* GPIO 4 HI */
                    break;
                case 2:	/* DIGIT.3 */
                    gpio[GPSET0/4] = 0x00000004;	/* GPIO 2 HI */
                    break;
                case 3:	/* DIGIT.4 */
                    gpio[GPSET0/4] = 0x00200000;	/* GPIO 21 HI */
                    break;
                default:
                    break;
            }
            /*----------------------------------*/
            /* LED lighting			*/
            /*----------------------------------*/
            switch( j ){
                case 0:	/* DIGIT.1 */
                    gpio[GPCLR0/4] = getSegData( 1 );
                    break;
                case 1:	/* DIGIT.2 */
                    gpio[GPCLR0/4] = getSegData( 2 );
                    break;
                case 2:	/* DIGIT.3 */
                    gpio[GPCLR0/4] = getSegData( 3 );
                    break;
                case 3:	/* DIGIT.4 */
                    gpio[GPCLR0/4] = getSegData( 4 );
                    break;
                default:
                    break;
            }
            usleep( sleep_time );
            gpio[GPSET0/4]	= 0x07ACE014;
            /*------------------------------------------*/
            /* Gradually speed up the lighting interval */
            /*------------------------------------------*/
            if( sleep_time > 3000 ){
                sleep_time -= 1000;
            }
        }
    }
    /* GPIO deinit */
    gpio[GPFSEL0/4]	= 0x00000000;
    gpio[GPFSEL1/4]	= 0x00000000;
    gpio[GPFSEL2/4]	= 0x00000000;
    munmap( map, BLOCK_SIZE );

    return 0;
}

/****************************************************************/
/* Segment lighting data creation				*/
/****************************************************************/
int	getSegData( int num )
{
    int	data = 0x00000000;
    /*13 14 18 19 23 24 25 26 pin */
    /*DP  B  F  C  A  E  D  G segment */
    data |= (seg_map[num][0] << 13);
    data |= (seg_map[num][1] << 14);
    data |= (seg_map[num][2] << 18);
    data |= (seg_map[num][3] << 19);
    data |= (seg_map[num][4] << 23);
    data |= (seg_map[num][5] << 24);
    data |= (seg_map[num][6] << 25);
    data |= (seg_map[num][7] << 26);

    return data;
}

プログラムの実行結果

ジャンパー線が足りなかったので、配線図とは異なり抵抗を使用していません。

コーディングからデバッグまで行い、特にデバッグに時間がかかる場合、バグが発生して特定のセグメントが点灯しっぱなしになる事が想定されます。
このような時に、抵抗を挟んでいないと電流の流れすぎによってＬＥＤの損傷や劣化が進むので、初心者の方は必ず抵抗を挟むようにして下さい。

Since I didn’t have enough jumper wires, I didn’t use any resistors, unlike the wiring diagram.
The LED will not cut out if there is a short period of continuity, but if you want to see it in action, make sure to put a resistor in between.

プログラムの説明

今回もWiringPiというGPIO制御ライブラリは使わずに実装しました。

多数のGPIO端子を使用したので、GPFSELnレジスタは0～2の３レジスタを使用しています。
なぜこの設定値になるのか、設定値設計に使用した表を添付しますので参考にして下さい。

GPFSEL0～GPFSEL2レジスタ設定値

The setting value of the GPSET0 register is 07ACE014H.
Since this is an anode common, we write 07ACE014H to GPSET0 to set all pins to HI, thus making the LED off.
If you look at the GPIO pin numbers used, you will see that all the pins are set to 1.
The following is a link to the terminal assignment table.

絶対にわかる組み込みソフトウェア 7: 4桁7セグLED点灯制御～回路図紹介～ – 鬱リーマン、デイトレとパチスロと不毛な日々

DIGIT.1～DIGIT.4を順番にHIレベルに上げて、表示する桁を切り替えています。
１桁の表示時間は、最初は150msからスタートし、徐々に点灯時間を短くしています。
１桁を表示終了した時点で、点灯時間を1ms減算し、最終的には3ms間隔で点灯させています。

このように、１桁ずつ点灯させて全てのＬＥＤを表示させる方式をダイナミック点灯方式と呼びます。
全てのセグメントを常時点灯させない理由は複数ありますが、１つのメリットは消費電流を抑える事です。

この方式は身の回りにある家電で一般的に使われています。
写真やビデオ撮影した時に、７セグなどの表示が欠けて見える事があります。
それは、このダイナミック点灯間隔が長く、かつ、消灯中のセグメントが撮影された場合に起こります。
5ms前後の間隔であれば、肉眼では常時点灯しているように見えます。これより間隔が長いとチラツキがわかります。

点灯させるセグメントデータは前回の１桁７セグ表示プログラムと同様に、getSegData()関数で作成しています。
(配線が変わったので、関数内の処理は異なっています。)
使い方は前回と同じで、引数の数値に対応したセグメント点灯データを戻り値で返却します。

この関数については、配線図とGPCLR0レジスタの各ビットの意味をデータシートで確認すれば、何をやっているのかわかりますので、ソースコードが読みやすいように、意図的にマジックナンバーを使って実装しました。

今回はここまでとなります。

ラズパイは非常に安価でLinux PCとしても遊べるので、興味がある方は手に取ってみて下さい。

KeeYees電子工作キットにはブレッドボード、抵抗、ＬＥＤ、リード線(コの字ワイヤやジャンパー線)など、電子工作部品が一式揃っているので、電子工作の取っ掛かりにオススメのセットです。

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データシートの入手

今回使用した７セグＬＥＤは「５６４１ＢＳ」です。

ネットで品番を調べると、簡単にデータシートを閲覧できます。
スタート地点はここからです。データシートを見て、各ピンの機能を理解しましょう。
参考までにリンクを貼っておきます。

大きめの図をリンクしておいたので、スマホで閲覧される方はタップして拡大表示して下さい。

Circuit Diagramsを見ると、前回使用した１桁７セグＬＥＤと同様、アノードコモンである事がわかります。
ＬＥＤのアノードコモン、カソードコモンについては過去記事で説明していますので、こちらを御覧下さい。
www.initial-jj.com

１２，９，８，６番ピンは、４～１桁目のどのセグメント(＝ＬＥＤ) を点灯させるかに使用します。
Ａ～Ｇ、ＤＰの点灯は各桁を共通ピンで制御する為、一定間隔で１２，９，８，６番ピンの１つだけをＨＩレベルにして各桁を点灯させます。

例えば、１２番ピンをＨＩレベル＆３番ピンをＬＯレベルにすると、”All Light On Segments Feature & Pin Position” の図に記載されている「ＤＰ」のセグメントが点灯する事になります。

このような、１桁ずつ点灯箇所を切り替える方式を「ダイナミック点灯方式」と呼びます。
カメラで撮影した時、ＬＥＤの一部が消える現象は、このダイナミック点灯方式によるものです。

カメラのシャッタースピードが早く、それよりもＬＥＤが消灯している時間が長い場合に、肉眼では残像によって点灯していると認識していても、写真は一部のセグメントが消灯中に撮影されるからです。

ダイナミック点灯の詳細については、次回説明します。

5641BSは、本ブログで紹介本ブログで紹介しているKeeYees電子工作キットに同梱されています。

購入時期によっては、異なる７セグＬＥＤがパッケージングされているかもしれません。その場合は、該当品番をネットを調べてデータシートを入手して下さい。

端子割付表

制御機器の端子のどれとどれを結線しているのかを記したものを「端子割付表」と言います。
省略して「端割(たんわり)」と呼ばれます。

一般的には、マイコン等制御する側のピン番号を昇順に並べて記述し、これと接続する相手側を横に書きます。
今回は、この一般的な表記法と合わせて、ＬＥＤ側のピン番号をメインとした端割の２つを記載します。
どちらも内容は同じです。ご自身で見やすいと思う方をご覧下さい。

結線図

最後に、ラズパイとの結線図を紹介します。
あくまで一例ですので、同じＧＰＩＯを使う必要性はありません。
ブレッドボードを使って図示した場合に描きやすいように結線しただけなので、それ以外のピン選択理由はありません。

これも大きめの図をリンクしてあるので、クリック(＝タップ)して拡大して御覧下さい。

配線の「赤」はＶＤＤ、「黒」はＧＮＤです。
図ではＧＮＤもブレッドボードと結線していますが、カソードコモンＬＥＤなので未使用となります。実際には結線しなくても構いません。

また、見やすいように、ＬＥＤのアノード側を緑、カソード側を黄色に、ＤＩＧＩＴセレクタは青で色分けしました。
抵抗値は、前回までと同様４７０Ωです。

今回はここまでとなります。
次回、ＬＥＤを点灯させるＣ言語プログラムをご紹介します。

ラズパイは非常に安価でLinux PCとしても遊べるので、興味がある方は手に取ってみて下さい。

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7セグLEDとGPIO ピン番号対応図

今回配線したGPIOピン番号を７セグＬＥＤ図に赤字で付記しました。この配線を元に制御します。

GPIO ピン番号対応図

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)			/* GPSET0  Address下位1byte	*/
#define	GPCLR0		(0x28)			/* GPCLR0  Address下位1byte	*/
#define	GPLEV0		(0x34)			/* GPLEV0  Address下位1byte	*/
int	getSegData( int num );			/* GPIO 7セグ点灯データ作成処理 */
char seg_map[11][8] = {
/*2  3  4  5  6  7  8  9 pin */
{ 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0 },	/* 0 */
{ 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 },	/* 1 */
{ 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0 },	/* 2 */
{ 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0 },	/* 3 */
{ 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0 },	/* 4 */
{ 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0 },	/* 5 */
{ 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0 },	/* 6 */
{ 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0 },	/* 7 */
{ 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0 },	/* 8 */
{ 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0 },	/* 9 */
{ 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1 }	/* DP */
};
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 初期設定						*/
/*==========================================================*/
gpio = (unsigned int *)map;
gpio[GPFSEL0/4]	= 0x09249240;
gpio[GPSET0/4]	= 0x000003FC;
gpio[GPCLR0/4]	= 0x00000000;
gpio[GPLEV0/4]	= 0x0;
usleep( 500000 );
/*==========================================================*/
/* 7seg点灯処理						*/
/*==========================================================*/
for( i = 0; i < 11; i++ ){
gpio[GPCLR0/4] = getSegData( i );
usleep( 500000 );
gpio[GPSET0/4] = 0x000003FC;
}
gpio[GPFSEL0/4]	= 0x00000000;
munmap( map, BLOCK_SIZE );
return 0;
}
int	getSegData( int num )
{
int	data = 0x00000000;
data |= (seg_map[num][0] << 2);
data |= (seg_map[num][1] << 3);
data |= (seg_map[num][2] << 4);
data |= (seg_map[num][3] << 5);
data |= (seg_map[num][4] << 6);
data |= (seg_map[num][5] << 7);
data |= (seg_map[num][6] << 8);
data |= (seg_map[num][7] << 9);
return data;
}

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

ソースコードの説明

Ｌチカ制御のソースコードを流用していますので、ベースの説明はこちらを御覧下さい。
ライブラリを使わずにGPIOを制御する方法は、上記記事で説明しています。
制御レジスタの詳細や、データシートのリンク先も上記記事で紹介しています。

プログラム実行結果

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7セグメントLEDとは？

7セグメントLED

７つのセグメントで構成されているＬＥＤで、この事から７セグメントＬＥＤと言います。通称７セグ。
各セグメントを点灯させる事で数字を表示させる事ができます。
写真の７セグは、右下にドット(デシマル・ポイント)があるので正確には８セグですが、これも７セグと言って通用します。

アノード・コモンとカソード・コモン

ＬＥＤ(発光ダイオード)には極性があり、＋側をアノード、ー側をカソードと呼びます。
アノードからカソードにのみ電流が流れ、その際ダイオードが発光します。
７セグＬＥＤは、各セグメントの発光を制御する端子と、コモン端子があります。
アノード側をまとめられているものをアノード・コモン、反対にカソードがまとめられているものをカソード・コモンと言います。

今回使用した７セグＬＥＤの品番は「5611BH」です。
このブログの上部で紹介したKeeYees電子工作キットに入っていた部品ですが、部品の取り扱い説明書は同梱されていません。
パーツには、どこかに型番がプリントされているので、それを頼りにインターネットでデータシートを探します。

アノード・コモン

5611BH アノード・コモン

(https://datasheetspdf.com/pdf-file/1404694/XILTX/5611BH/1 より抜粋)
これがアノード・コモンです。端子がまとまっている側(上側)がアノード、反対(下側)がカソードです。
5611BHの場合、3番、8番ピンを正極(＋)に接続します。
セグメントには名前が割り当てられており、A～GとDPとなっています。

各セグメント名称

(https://datasheetspdf.com/pdf-file/1404694/XILTX/5611BH/1 より抜粋)
これら(７セグＬＥＤの7,6,4,2,1,9,10,5番ピン)を点灯／消灯させる制御ピンは、ラズパイのGPIOと接続します。
接続したGPIOがON(HIレベル)であればLEDは消灯し、端子をLOレベルに落とすと点灯します。

カソード・コモン

カソード・コモンの場合、このような回路図となります。

カソード・コモン

端子がまとまっている側(上側)がカソード、反対(下側)がアノードです。
カソード・コモンを使う場合は、コモン端子をGNDに接続し、セグメント制御端子をHIにすれば電流が流れ、セグメントが点灯します。

端子割付表

端子割付表

配線する前に端子割付表を考えました。
今回はセグメントAから、順番にGPIOの若い番号ピンを割り当てました。

ブレッドボード

ラズパイ(左)とブレッドボード(右)

ブレッドボードとは、はんだ付けせずに電子部品を結線できるボードの事です。
ブレッドボード内部は、下図のように結線されています。

ブレッドボード 内部結線図

この内部結線を踏まえて、電源と電子部品を接続します。
通常は赤いラインにVDD(＋極)を、黒いラインをGND(ー極)で電圧を加え、青線に電子部品を刺して回路を構成します。

配線図

上述の端子割付表を元に、ラズパイと結線した回路図がこちら。

7セグLED 配線図

今回はここまでとなります。
次回、７セグＬＥＤを点灯するソフトウェアを作ってみます。

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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;
}

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

コンピューターのデータ(メモリ)の単位について

ハードウェア仕様書を読むにあたり、最低限知っておくべき知識があります。その１つが、コンピューターで扱う数の単位です。

最小単位とｎ進法

メモリの最小単位は「bit(ビット)」と言います。デジタルですから「０」か「１」のどちらかの値を取ります。０と１の２値で数値表現する方法を２進法と言います。
日常生活で使っているのは１０進数と言います。
１０進数は０～９までの１０個の数字を使い、＋１してこの１０個で表現できない値となる時に桁が増えて「１０」と表現します。
２進数は０～１の２個の数字を使い、＋１してこの２個で表現できない値となる時に桁が増えて「１０」と表現します。
他に、１６進数も使います。これは０～Ｆの１６個の文字を使います。
１０進数を、２進数と１６進数に変換した対応表を書いたので参考にして下さい。

数値が16進数である場合、それ明示する為に、先頭に”0x”と書いたり末尾に”H”と書きます。

データ(メモリ)の単位

最小単位はbitですが、長さ、重さの単位と同じく値が多くなると別の単位を使います。
8Bitを1Byte(バイト)と表現します。
1,024Byteは1K(キロ)Byteになります。1KBと書く事もあります。
一般的にキロはx1,000倍を表す単位ですが、コンピューターではx1,024倍なので間違わないようにしましょう。

GPIOの仕様を読み解く

ペリフェラルの配置アドレスを調べる

ARMのGPIO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)
pdfを別ウィンドウで開いて、データシートを見ながら説明をご覧頂くと、わかりやすいと思います。むしろ、データシートはしっかりと読まないといけません。

p.89からGPIOの説明が書かれていますが、まずはp.5のPeripherals(ペリフェラル)を見てみましょう。
ペリフェラルとは周辺機器(周辺機能) の事で、ARMに内蔵されているハードウェア機能(通信、GPIO他)の事を表しています。

p.5にはメモリ空間のどこにI/O Peripheralsが割り当てられているかが書かれています。このような図をメモリ・マップと言います。
これにより、Physical Addressは20000000H から配置されている事がわかります。
しかし、Linux OSは仮想アドレス空間でソフトウェアを動作させる仕組みを持っており、物理アドレスを直接アクセスする事はできません。
メモリ保護機能が無いシステムであれば、メモリ・マップに書かれているアドレスに直接アクセスが可能で、ハードウェア制御ができます。

では、どうすれば良いか？
答えは、https://www.raspberrypi.org の一番下の”Documentation”を辿っていくと、https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/peripheral_addresses.md という情報を得られます。

Pi Zero、Pi Zero Wと第１世代のラズパイは0x20000000にマッピングされていますが、Pi 2、Pi 3では0x3F000000にマッピングされていると書かれています。
また、実際にマッピングされているアドレスを取得する関数が用意されており、それがbcm_host_get_peripheral_address() だと言う事もわかります。
今回書いたソースコード(34行目)は、全世代のラズパイで動くように、ペリフェラルのマッピング・アドレスをこの関数で取得しています。この関数を処理し終わった時に得られる値(戻り値と言う)に、実際に割り当てられているアドレスが入っています。
ソースコードでは、adr_gpio_base という変数にアドレスを格納しています。

なお、このページの最後には、Ｃ言語でbcm_hostライブラリを組み込む時のコンパイル・オプション設定も書かれていますので、どうやってbcm_hostをリンクすれば良いか？という疑問も解決します。

GPIO仕様を理解する

次に、p.89のGPIO仕様を読み解きます。
p.90から制御レジスタ一覧表が記載されています。
レジスタとは、メモリの１種で、ＣＰＵ内に存在しており、ここに１や０を書き込む事で、決められた動作をします。
レジスタは、演算途中の値を保持する汎用レジスタと呼ばれるもの等色々ありますが、その詳細は割愛します。

「Address」は無視です。上述の通り、プログラムがアクセスするアドレスは別アドレスにマッピングされているからです。
但し、今回使うPi 2では0x3F000000からマッピングされていますが、0x7E200000番地に配置されているレジスタを制御する場合は、0x3F000000をベースアドレスとして、+200000番地のオフセットが必要になります。即ち、0x3F200000番地から任意のアドレスにアクセスする事になります。
「Field Name」はレジスタ名称が書かれています。そのレジスタが持っている機能を略して名前にするのが一般的です。
「Size」はレジスタのサイズです。単位が書かれていませんが、bitです。
これは、ページ先頭の「All accesses are assumed to be 32-bit.」という説明文で明示されています。
話が戻りますが、32bitという事は別の表現で4Byteと言っても同じです。(32bit = 8bit(= 1Byte) x 4)
ここで１番大事なのは、レジスタのサイズを把握しておく事です。4Byteレジスタである事を忘れないで下さい。

もう１つ疑問があると思います。「どのレジスタを制御すれば、やりたい制御ができるのか？」です。
残念ながら、これはレジスタの説明を読んで理解するしかありません。
今回はGPIO ２番ピンを使っているので、該当するレジスタは

1. GPFSEL0：0xXXXXXX00
2. GPSET0：0xXXXXXX1C
3. GPCLR0：0xXXXXXX28

です。データシートの該当レジスタの説明を読んでみて下さい。

ソースコードの説明

51行目(GPFSEL0)

２番ピンを出力設定にしています。
データシートのp.91～92に「Table 6-2-GPIO Alternate function select register 0」という表があり、このFSEL2の値を変更しています。

FSEL9に説明が書かれていますが、FSEL2も同じです。
このレジスタは上位2bit以外、全て3bitずつGPIOの制御をするレジスタになっています。
FSEL2は8-6bit目に配置されており、この3bitを”001b”にすれば、「GPIO Pin 2 is an output」となる事がわかります。
なぜ0x00000040を代入しているのか、わかりやすくする為に表を書いたので参考にして下さい。

もう１つ重要なポイントがあります。それはmap変数のアクセス方法です。

Ｃ言語を知っている方前提の話となりますが、map変数はポインタ型で宣言しています。
void型にしていますが、このレジスタは「32bitアクセスするよう」説明書きがあったので、int型(4Byte単位アクセス)である必要があります。
このmapポインタを配列として使っているので、配列の添字が+1するだけで、アクセスするアドレスは+4になります。
しかし、GPIOレジスタの#define定義は可読性重視の為、実際のアドレス下位1byteとしています。
このdefine定義を添え字として使用しているので、アドレッシングは狙うアドレスの x4倍になります。
その為、添字内で /4 する事で辻褄を合わせています。
他に良い実装方法を思いついていましたが、今回は読みやすさ重視で、このような実装としました。

Ｃ言語について

Ｃ言語はコンパイラ型言語です。
コンパイラ型の詳細は、第２回python編の記事を御覧下さい。

プログラミング言語について

Linuxには標準でgccというコンパイラが導入されています。
元々はGNU C Complierの略でgccという名称でしたが、現在はC言語以外のコンパイルにも対応しています。
また、コンパイラと呼ばれますが、gccコマンドに対してオプションと付けずに実行すると、アセンブラ、リンカーを順次呼び出して実行形式ファイル(デフォルトではa.outというファイル名)を作成します。
例えば、-Sオプションを付けてgccを実行するとアセンブラ・コード(拡張子 *.s)を生成します。

プログラム説明

/* 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;
}

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

プログラミング言語について

プログラミング言語は多種多様あります。BASIC, C, C++, Java, Perl, Ruby, COBOL, FORTLAN, Pascal etc.
その中でpythonという言語があります。

プログラム作成方式には大きく２種類あり、インタープリタ型とコンパイラ型に分類されます。
コンピュータを動かすプログラムは、最終的には「０と１」の組み合わせで表現され、これをマシン語(機械語)と言います。
ですが、人間が最初から「０と１」を組み合わせたマシン語を書く事は不可能です。
余談ですが、８０年代前半はＣＰＵも処理も今よりも簡単だった為、プログラムを書かずに直接マシン語を書ける人もいました。特殊技能ですが。
そこで、人間が理解できるプログラミング言語が次々と開発され、これらの書式に則りプログラムを書き、コンピュータ(ＣＰＵ)が理解できるマシン語に変換、実行させます。

今回紹介するpythonは、インタープリタ型のプログラミング言語です。

プログラム説明

# filename : lblink.py
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode( GPIO.BCM )
GPIO.setup( 2, GPIO.OUT )
for x in xrange( 5 ):
GPIO.output( 2, True )
time.sleep( 0.5 )
GPIO.output( 2, False )
time.sleep( 0.5 )
GPIO.cleanup()

プログラムの説明

GPIO(General Purpose Input/Output)の略で「汎用入出力」というピンを制御します。

プログラムの内容は、

1. GPIO 2pinを出力設定にする (GPIO.setup())
2. GPIO 2pin の出力ON(HI出力)してLEDを点灯
3. 0.5秒ウェイト(sleep)
4. GPIO 2pin の出力をOFF(LO出力)してLEDを消灯
5. 0.5秒ウェイト(sleep)
6. 上記を5回繰り返す (for x in xrange( 5 ))

となっています。
プログラムを全く知らない方でも、何となくわかって頂けるのではないかと思います。
pythonはライブラリが豊富に揃っているのでimport で使いたい機能を宣言し、あとは用意されているAPIを使うだけです。
これがpythonの気軽さであり、学習用と言われる所以です。

今回はGPIO 2pinを使いました。
GPIOの仕様(＝説明書)を理解しないと制御ができないので、多少は調べる必要があります。
ここにラズパイのGPIO仕様がありました。

GPIO – Raspberry Pi Documentation より
LEDを駆動するだけなので、電圧は3.3V pinから取ればＯＫです。抵抗は470Ωを繋いでいます。
抵抗無しでもLEDは点灯しますが、電流が流れすぎるとLED寿命が縮まるので、電流値を下げる為に挟んでいます。

GPIOは何番pinを使っても構いませんが、今回は2番pinを使いました。
わかりにくいですが、白を2番pin、黒をGND(グランド)と接続しています。

2pinは GPIO2(SDA)と書かれています。
これは、汎用入出力pin以外にハードウェアが持っている機能の１つ、SDAの端子として使えるpinである事を意味しています。
SDAとはI2C通信(「アイスクエアシー」や「アイツーシー」と読む)に使う信号線の１本です。
Fritzingという回路図作成ツールを使い、配線を図示しましたので参考にして下さい。

GPIOについては次回詳細説明をする予定ですが、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)
pythonでプログラミングする場合、GPIO制御もライブラリが用意されているので、データシートを読む必要は無く、GPIO出力pin配置だけ調べればプログラムが書けます。プログラミングの楽しさを知るには丁度良い言語だと思います。
そして、これが前回の序文で話したソフトウェアの「上位側」にあたるプログラムです。
デバイスの制御はGPIO.*() という命令文を使うだけでできてしまいます。デバイスの制御方法を知らなくても数行のソースコードでＬチカを実現できます。

$ python lblink.py