マイコンのプログラミング

実験用CPUボードの概要

この実験では、写真のようなボードを使います。

このボードには、次のようなものが載っています。 （LED:える・いー・でぃー; Light Emitting Diode=発光ダイオード）

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

では、LEDやスイッチなどは、CPUが実行するプログラムからは どのように操作すればよいのでしょうか。

「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

メモリマップドI/O装置は、プログラムを書くときには次のような 表記によって、「変数」として定義をすることになっています。 (BYTE xdata, _at_は「おまじない」と思っておいてかまいません。) 
BYTE xdata num0       _at_ 0x4000;  // 0 digit of 7seg.LED
BYTE xdata num1       _at_ 0x4001;  // 1 digit of 7seg.LED
BYTE xdata num2       _at_ 0x4002;  // 2 digit of 7seg.LED
BYTE xdata num3       _at_ 0x4003;  // 3 digit of 7seg.LED
BYTE xdata sw         _at_ 0x4004;  // SWs
BYTE xdata led        _at_ 0x4005;  // LEDs
例えば、「led」というBYTE型(1バイト=8ビット)の変数が 0x4005番地に割り当てられています。 この0x4005番地の内容は、先のとおり「LED(8個)の点灯・消灯を決める メモリマップドI/O」でした。 そのため、変数ledに値を書き込むと、実際には0x4005番地に 書き込まれ、結果としてその値に応じて各LEDが点灯・消灯することに なります。 なおここで、変数ledの値は1バイト=8ビット、つまり 8組の「0または1の値」ですが、 その各桁が、8個のLEDそれぞれの点灯・消灯に対応していることに 注意しましょう。

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;
ここで代入している値0x81は、2進数で書くと"10000001"ですから、 値が1になっている、一番左端のLED(LED7)と一番右端のLED(LED0)のみが 点灯し、それ以外は消灯することになります。

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){
    ..

プログラムの作成・編集・コンパイル

では早速、実際に実験ボード上でプログラムを実行し、 スイッチやLEDを操作してみましょう。

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、そこにサンプルプログラムとして、 sample.c と sample.Uv2 を、先ほどのフォルダの中に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をコピーしただけではうまくいきません。

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
BYTE xdata num0       _at_ 0x4000;  // 0 digit of 7seg.LED
BYTE xdata num1       _at_ 0x4001;  // 1 digit of 7seg.LED
BYTE xdata num2       _at_ 0x4002;  // 2 digit of 7seg.LED
BYTE xdata num3       _at_ 0x4003;  // 3 digit of 7seg.LED
BYTE xdata sw         _at_ 0x4004;  // SWs
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
  }
}
最後のほうに、while文がありますが、while(1)ですので、 {}内が無限ループになっています。 そこでこの{}内に、実行するべきプログラムを書くことにします。 今回は、例として次のように書いてみましょう。 
  while(1){
    // write your code here
    led = sw;
  }
プログラムを記述したら、保存した後、 メニューからProject→Build Target(F7)を 選んで、プログラムのコンパイルを行います。 (ファンクションキーのF7を押してもかまいません) コンパイルの過程が下のウインドウに表示されますので、 エラーなどがないか確認します。

プログラムの転送・実行

無事コンパイルが完了したら、 ボード上のCPUに転送し、実行させます。

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

このプログラムの動作を確認し、その動作原理を理解しましょう。 （ヒント：スイッチSW0〜SW8を押してみる）

7セグメントLEDの操作

ボード上にある4個の7セグメントLEDは、4桁の数値を表示することが できますが、これらは、CPLD(Complex Programmable Logic Device)と 呼ばれるIC(集積回路)による専用の制御回路によって 制御されています。

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;
なお書き込む値が0〜9の範囲外のときは、数値が表示されません。 また前述のように、値を読み出すこともできません。

演習

0〜9999の値を順に表示するプログラムを記述してみましょう。 数値を増加させるタイミングは、(1)一定時間ごと、および (2)スイッチによって制御、の2通りを実装してみましょう。 ((2)では、例えばスイッチSW0を押している間は数値が増加する、 あるいはスイッチSW0を押している間は1ずつ増加、 SW1を押している間は10ずつ増加する、など)

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：

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