組み込みシステムの基本

洗濯機やサーモスタット、ゲームのコントローラーの中には、画面もキーボードもない小さなチップが入っています。チップは、いくつかの数を書いたり読んだりするだけで、ボタンに気づき、明かりをつけ、モーターの強さを調節しなければなりません。このレッスンでは、Python でシミュレートした架空のチップを使い、その数が変わるところを見ます。

• レジスタ：チップの中にある、番号のついた小さな記憶。ここでは 8 ビットの幅。
• ビット：0 か 1。ビット 0 は右端のもの。
• マスク：選んだビットだけを取り出したり変えたりするための数。
• ピン：チップの金属の足。高い（1）か低い（0）。
• PWM：パルス幅変調。ピンをとても速くオンとオフにし、オンの時間の割合で効き方の強さを決める。
• 割り込み：チップをいったん止めて、ハンドラーを実行させる信号。

ls で作業フォルダーを一覧します。mcu.py がチップ、start.ipynb がノートブック、steps がスクリプトです。最初のスクリプトはチップをリセットし、すべてのレジスタを2進数、16進数、ふつうの数で表示します。レジスタは7つあります。DDR（どのピンが出力か）、PORT（出力が出す値）、PIN（ピンが読む値）、TCCR（タイマーの制御）、TCNT（タイマーのカウント）、OCR（比較値）、IFR（割り込みフラグ）です。リセットの直後は、7つとも 0b00000000 です。

スクリプトは PORT を 0b00001010 にして始めます。マスクとの OR はビットを立てて、0b00001011 になります。マスクの反対との AND はビットを下ろして、0b00001001 になります。XOR はビットを反転させて、0b00000001 になり、同じ反転をもう一度すると 0b00001001 に戻ります。そのたびに変わるのは選んだビットだけで、それがマスクの役目です。

DDR の 1 は、そのピンを出力にします。スクリプトはピン 0 を出力にして、PORT のビット 0 に 1 を書き込み、PIN は 0b00000001 と読み戻します。それから 8 ティックのあいだ、ティックごとにビットを反転させて #.#.#.#. と表示します。点滅する明かりで、# はオン、. はオフです。

タイマーは 0 から 15 まで数えて、また最初に戻ります。つまり1周期は 16 ティックです。TCNT が OCR より小さいあいだ、ピン 5 は高くなります。スクリプトは OCR を 4、8、12 にして、それぞれ1周期分を表示します。オンが4ティック、オフが12ティックなら 25 パーセント、8 と 8 なら 50 パーセント、オンが12ティック、オフが4ティックなら 75 パーセントです。この割合がデューティ比で、本物のチップも、オンとオフだけで明かりを暗くしたりモーターを遅くしたりできます。

本物のボタンは、0 から 1 へ一度できれいに変わるのではなく、ちらつきます。最初のスクリプトは、ティックごとにピンをポーリングして読みます。1回押しただけで、ティック 2 と 4 に立ち上がりのエッジを2つ見て、2回と数えます。2つ目のスクリプトは、チップに割り込みフラグを立てさせ、ハンドラーを呼ばせます。ハンドラーは、同じ2つのエッジで、ティック 2 と 4 に2回呼ばれます。そのあと、ハンドラーが、最後に残した呼び出しから 3 ティック以内の呼び出しを無視するようにすると、1回の押下は1回と数えられます。

バーから JupyterLab を開き、start.ipynb をダブルクリックします。チップを作り、レジスタに書き込み、PWM の信号を作ります。セルごとに進みます。セルをクリックして Shift と Enter を押すと実行されます。最後のセルでは、比較値を変えて、デューティ比がいくつになったかを答えます。mcu.py は短くてコメントがついています。ノートブックの横に開いて読んでください。