Week 1 マイコンの基礎とLチカの深追い

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表紙

AstroCamp ／ 衛星開発ゼミ WEEK 1 ／ 組込みソフトウェア講義 マイコンの基礎と Lチカの深追い LEDを点滅させるコードをマイコンの仕組みまでたどって理解し、設計・デバッグ時の手札を増やす 目的 ① 困ったときに公式の資料（データシート）から仕様を読み解けるようになる 目的 ② 深く​​​​仕組みを​​​​知っておく​​​​ことで、 ​​​問題が​​​​起きた​ときの​​​​対処の​​​​流れが​​​​掴める​​​​ （デバッグ​その​​​​ものは​​​​また​​​​今度） 目的 ③ 仕組みを​​​知る​​​ことで、​​​設計の​​​手札​（​解​空間）を​​​広げて​​​最適な​​​選択が​​​できるようになる​​​ （今日の​​​宿題で​​​体感して​​​もらう）

0.1 前回の復習

0.1 前回までの復習 前回の補講で、LEDをチカチカさせる回路の要素を学んだ 回路図 接続のみを表現する。線で繋がっていなくてもラベルで繋がる。 電子部品の機能 LEDは光る部品、抵抗は電流を絞る部品。 アナログとデジタル 電気回路は連続的だが、マイコンはデジタルで動く。 マイコン CPU・メモリ・入出力が1つに収まり、ソフトとハードを橋渡しする。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 02

0.2 今回の位置づけ

0.2 今回の位置づけ Week 1〜4では、模擬衛星の技術要素、電子工作の基礎を学ぶ 補講 電子回路の基礎 Week 1（今日） マイコンの基礎と Lチカの深追い Week 2 電子部品間の 通信プロトコル Week 3 センサとの通信と 波形の観察・デバッグ Week 4 リアルタイムシステム Week 5 ~ 技術要素から、 エンジニアリング全体へ 「根拠を持ったエンジニアリング」を学ぶ前に、そのフィールドの技術要素を学ぶ Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 03

0.3 今日の流れ

0.3 今日の流れ SDKのソース、データシート、原理からの探索の3つを使って、Lチカの1行を説明し、手札を広げる Lチカの回路・ソフト まずは雑にAIで知る ① マイコンの仕組み 全ては数値の読み書き ② コードの深追い SDKのソースの中へ ③ データシート 読み書きするレジスタの中身 ④ 手札を広げる 原理を設計・デバッグに生かす この4ステップで「動かす」から「原理を知って選べる」へ進む Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 04

0.4 Lチカ回路

0.4 Lチカ回路 すでに​​​​​学だ​​ ​​LED・抵抗・マイコンを​​​​​繋げる 回路シミュレータ Wokwi で実験 https://wokwi.com/projects/468718947173297153 LED 電気を流すと光る 抵抗 LEDに電流が流れすぎて壊れないようにする Raspberry Pi Pico 回路の動作をマイコンからソフトで制御する GPIOから抵抗・LEDにつないだLチカ回路（Wokwiで作成） Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 05

0.5 出発点のコード

0.5 出発点：とりあえず動いたコード 最初はAIでざっくり始める このコードを書いたClaudeとの会話： https://claude.ai/share/4c39ff64-aa30-4863-855f-49f0816b049c #include "pico/stdlib.h" #define LED_PIN 0 // GP0 int main () { gpio_init (LED_PIN); gpio_set_dir (LED_PIN, GPIO_OUT); while ( true ) { gpio_put (LED_PIN, 1 ); // 点灯 sleep_ms ( 500 ); gpio_put (LED_PIN, 0 ); // 消灯 sleep_ms ( 500 ); } return 0 ; } ネットの入門記事やAIの回答はここで完結する。今日はここから「なぜ動いたのか」へ進む。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 06

第1章 基本構造

CHAPTER 01 マイコンの動作をプログラム視点で理解する マイコンの動作は全て数値の読み書き 補講のマイコン像 CPU 制御 演算 記憶 入力 出力 プログラムから 見ると 五大装置の動作全て ほぼ全部が「数値の読み書き」 ＝ 何番地に、何を ― の1種類に一本化して見える

1.1 五大機能

1.1 コンピュータの五大機能 入力・記憶・演算・制御・出力​​​ コンピュータは​​​​​​​この​​​​​​​5つで​​​​​​​説明できる。 CPU 制御 全体を指揮する 演算 計算する 記憶 データやプログラムを保持 入力 外から情報を受け取る 出力 外へ働きかける データの流れ 制御の流れ データは 入力 → 記憶 ⇄ 演算 → 出力 と流れ、 制御がすべてを指揮する マイコンの中身だけでなく、模擬衛星全体も骨組みは同じ ― 光センサが 入力 、Pico W の計算が 演算 、モーターやLEDが 出力 にあたる。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 08

1.2 ノイマン型

1.2 ノイマン型：プログラムをメモリから読み出して実行する CPUの仕事は「メモリから命令を読んで実行する」の繰り返し CPU 制御装置 ＋ 演算装置 ② 実行する ① メモリから命令を読む ③ 次の命令を読みに戻る メモリ 命令（プログラム） データ ① → ② → ③ ＝「読んで、実行する」をひたすらくり返す メモリ プログラムもデータも数値として保存される 読む → 実行 → 次を読む 普通のコンピュータ（参考：ノイマン型と言う）は このサイクルをひたすら回す 「実行」も実は数値の読み書き 計算も、制御も、入出力も全部 「ソフトの実行 ＝ 数値の読み書きの繰り返し」 ── これだけ覚えればOK。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 09

1.3 演算はメモリの読み書き

1.3 コンピュータの仕事：演算 計算はイメージ通り、メモリの読み書きで実現 int a,b,c; // a,b,cという領域をメモリに確保する a = 1 ; // メモリのaの領域に数値を書き込む b = 2 ; // メモリのbの領域に数値を書き込む c = a + b; // メモリからaとbを読み込み、足し算した結果をcに書き込む 変数とメモリ 計算に使う「変数」はメモリに保存する。 変数名は人間向け、アドレスはコンピュータ向け 変数をメモリのどこに置くか、「アドレス」という数値で管理する。 計算の実体はメモリへの書き込み 加算結果の数値を書き込む。 数値計算なんだから、メモリに数値を読み書きするのは当たり前では…？ Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 10

1.4 入出力＝読み書き

1.4 コンピュータの仕事：入出力 入出力も数値の読み書きでできる CPU 数値を読み書きする 読み書き ペリフェラルレジスタ 周辺回路の掲示板 ペリフェラル マイコンの入出力ピンなどのハードウェア 入出力はCPU外の周辺回路が担う これを ペリフェラル という。 周辺回路とCPUをつなぐ掲示板がある これをペリフェラルの レジスタ という。 掲示板を読んで回路の状態を知る レジスタからCPUが数値を読み込む。 掲示板に書いて回路に指示を出す レジスタへCPUが数値を書き込む。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 11

1.5 CPUから見れば同じ

1.5 CPU ペリフェラルレジスタも、普通のメモリも、CPUから見たら同じ！ CPU 数値を読み書きする 読み書き アドレス空間 CPUから数値を読み書きできる場所 ペリフェラルレジスタ ペリフェラル 入出力ピンなどのハードウェア データ プログラム 発展：興味あったら調べてみてね 五大装置の残り一つ、「制御」は数値の読み書きでどう実現する？ if文やfor文はどうやって動くのか？ キーワード： プログラムカウンタ Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 12

1.6 この章のまとめ

1.6 この章のまとめ マイコンはCPUから数値を読み書きして、演算/入出力/制御する ここは覚えて次へ ① CPUは読み書きの繰り返し プログラムもデータも番地付きの数値。CPUは「読む→実行→次を読む」だけ（ノイマン型）。 ② 演算も入出力も読み書き 演算はメモリへ、入出力はペリフェラルの掲示板＝レジスタへ、数値を読み書きすること。 ③ CPUには全部アドレス空間 メモリもレジスタもプログラムも一つの番地空間。だから制御（発展）も同じ仕組みで実現できる。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 13

第2章 深追い

CHAPTER 02 Lチカの深追い：ラズピコの具体例で学ぶ gpio_put(LED_PIN, 1) の1行からLED点灯までをたどる gpio_put (LED_PIN, 1 ); // 指定したピンの出力を H にする gpio_put の1行 Pico SDK の関数 SDKのソース 関数の中へ レジスタ（番地） SIOへの書き込み ピンの電圧 H（約3.3V） LED 点灯 物理の結果 この中身を知るのが目的ではなく、「中身を知るプロセス」を知ることが目的

2.1 Lチカを題材に深ぼる

2.1 Lチカを題材に深ぼる ソフトウェアからマイコンの出力ピンを制御する流れを知る #include "pico/stdlib.h" #define LED_PIN 0 // GP0 int main () { gpio_init (LED_PIN); gpio_set_dir (LED_PIN, GPIO_OUT); while ( true ) { gpio_put (LED_PIN, 1 ); // 点灯 sleep_ms ( 500 ); gpio_put (LED_PIN, 0 ); // 消灯 sleep_ms ( 500 ); } return 0 ; } GPIO 0番 → 抵抗 → LED の回路（Wokwiで作成） Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 15

2.2 一次情報と二次情報

2.2 一次情報と二次情報 最終的に信じるのは一次資料、二次資料も使いこなす 公式ドキュメント 最も信頼 公式リファレンスとも ／ ＝ 一次資料 ✓ その技術や製品 そのもの について書いてある ✓ 仕様や使い方を ちゃんと学べる ✓ 信頼性が最も高い 外部サイトは情報が古いかも 他の資料 AI・ブログ・書籍・動画など ／ ＝ 二次資料 ① 公式の記述を 要約 しているもの （AIは基本ここ） 分かりやすいけど、結局 公式のトップページが優秀 ② 公式に 書いてないこと を書いたもの ― バグ は外部サイトに書いてあることが多い ― 性能検証や比較などもありがち ③ それを 外部の視点 から書いたもの ― 他の技術や製品と比べて書いてある ― 外から見るので 全体像が掴める Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 16

2.3 定義へ移動

2.3 SDKのソースへ潜る 一次資料を調べるときも、入口はAIでOK AIに聞いてみる： https://claude.ai/share/d4423767-271f-4df3-9213-740db517235a AIに聞いたうえで、​一次資料を深ぼる ① 調査対象の「役割」 （SDKのドキュメント） ② 実装 （ソースコード） ③ ソフトが最終的に叩くレジスタ （ソースコード） ④ 物理レジスタの意味 （ハードウェアのデータシート） 参考資料 すべて一次資料 ① SDK ドキュメント Raspberry Pi Pico-series C/C++ SDK ドキュメント pip-assets.raspberrypi.com/…/RP-009085-KB-2-raspberry-pi-pico-c-sdk.pdf ②③ ソースコード raspberrypi / pico-sdk github.com/raspberrypi/pico-sdk ④ データシート RP2040 データシート pip-assets.raspberrypi.com/…/RP-008371-DS-1-rp2040-datasheet.pdf Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 17

2.4 gpio_put の中身

2.4 gpio_put の中身：1段目 gpio_put の中身は数行で、ビットマスクを作ってset系かclr系のレジスタへ書き分けている // gpio_put の実装の骨格（抜粋） static inline void gpio_put ( uint gpio, bool value) { uint32_t mask = 1ul << gpio; // 対象ピンのビットだけを立てた値 if (value) gpio_set_mask (mask); // 1にする側 else gpio_clr_mask (mask); // 0にする側 } mask ＝ 操作するピンだけ選択する値 ここの文法は分からなくても今日は一旦OK value で set / clr に振り分け 1ならset系、0ならclr系へ渡す まだ関数呼び出しが残る 次に gpio_set_mask() を調べる Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 18

2.5 最下段の代入

2.5 たどり着いた最下段 gpio_put をたどった先は、sio_hw への代入文1つ // gpio_set_mask の骨格（抜粋） static inline void gpio_set_mask ( uint32_t mask) { sio_hw -> gpio_set = mask; } 見つかったのは「レジスタへの書き込み」 sio_hw->gpio_set というものに、 mask（Hにするピンの位置）を書き込んでいる さらにソースをたどると、sio.h に gpio_set がある。 これが GPIO_OUT_SET というレジスタだと書いてある。 これは 1.4 で学んだペリフェラルレジスタ ここに数値を書くと、周辺回路が勝手に動く 補足 static inline void や -> （アロー演算子）といった文法は、あとでAIに聞いて調べてみてください。 今は、 mask という変数を = で sio_hw->gpio_set というものに代入する、ということが分かればOK。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 19

2.6 現在地と残る疑問

2.6 ここまでの理解と、残る疑問 ソースから分かるのは書き込み先の番地までで、その番地の意味はデータシートが定義する ① 呼び出し gpio_put(LED_PIN, 1) ② SDK内部 gpio_set_mask(mask) ③ ソフトの最下段 SIOの番地への書き込み ソースから分かるのはここまで ④ ハードの仕様 この番地に書くとピンが H になる？ これからデータシートで確認 分かったこと。 gpio_put の実態はSIOの特定番地への書き込み。 まだ分かっていないこと。 その番地に書くと、なぜピンが H になるのか。 次はデータシートで裏を取る。 レジスタの先、ペリフェラルの仕様は ハード側の一次情報にあたって調べる。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 20

2.7 章まとめ

2.7 この章のまとめ Lチカの深追いで「覚えて次に進んでほしい」核はこの3つ ここは覚えて次へ ① 最下段は代入1つ gpio_put を潜ると、最後は sio_hw への代入＝「SIOの決まった番地へ mask を書け」だった。 ② 便利な関数は包装 その正体は、番地への書き込みをポインタで隠した包みにすぎない。 ③ 意味はデータシート ソースから分かるのは番地まで。番地の意味はデータシートが定義する（照合先は一次情報）。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 21

2.8 なぜ外付けLEDか

2.8 なぜオンボードLEDを使わないのか Pico WのオンボードLEDは、RP2040ではなく無線チップにつながっている Pico（無印）は GPIO 25。 オンボードLEDがRP2040のGPIO 25につながっている。 Pico W は無線チップ側。 同じ位置のLEDが無線チップ CYW43439 のGPIOにつながる。 Pico WではSIOを経由しない。 だから今日たどりたいRP2040のSIOの道には乗らない。 回路図の確認を怠ると迷子に。 LED 1つでも、間違ったデータシートを読んで時間を溶かす。 Pico W 回路図：オンボードLED（D2）は無線チップ CYW43439 の WL_GPIO0 に接続 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 22

第3章 データシート

CHAPTER 03 データシートで裏を取る 番地の意味はチップの設計が決めており、その仕様書がデータシートである 数百ページの英語PDF。 普段頭から読む文書ではない。（暇なときに目次ぐらいは全部読むと良い） 辞書として引く。 目次と一覧表から必要な箇所だけを引く。 今日調べるのは GPIO だけ。 SIOのgpio_setは、どの番地で、書くと何が起きるか。 今日学ぶのはデータシートの読み方。 調べたことの内容は忘れてOK。 RP2040 ― この中身の仕様がデータシートに書いてある

3.1 チップ⇔ボード

3.1 データシートの種類 レジスタの​​​​​​​​​​仕様は​​​​​​​​​​RP2040の​​​​​​​​​​データシートに、​​​​​​​​​​ 電源や​​​周辺​​部品は​​​​​​​​​​Picoの​​​​​​​​​​データシートに​​​​​​​​​​載っている チップ： RP2040 のデータシート ← 今日開くのはこちら CPU・アドレスマップ・ペリフェラルと​​​レジスタの​​​仕様。​​​ 今日​調べたい​​​ SIO の​​​レジスタは​​​ここ。 ボード： Raspberry Pi Pico のデータシート ピン配置・電源回路・オンボードLEDの配線。基板の上の話はこちら。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 24

3.2 レジスタの詳細を読む

3.2 ソースコードから見つけたレジスタを調べる GPIO_OUT_SET の詳細を読む 対応するピンが「atomic bit-set」されることが分かる よく分からないのでAIに聞いてみると： https://claude.ai/share/9f3f8f48-fc4e-4e20-b734-524c3df13a80 しかし、どんな回路が動作してこの機能が実現されるのか分からない もうすこしデータシート全体、関連する部分を読む必要がある RP2040 データシート：GPIO_OUT_SET レジスタの説明 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 25

3.3 ペリフェラル全体を調べる

3.3 ペリフェラル全体を調べる レジスタが所属するペリフェラル SIO を調べると、全体像がつかめる マイコンの中で、CPU からどういう経路を通ってピンに出力されるのかが分かる。 SIO の内部 ― 共有 GPIO レジスタ（atomic set/clear/xor）→ ピン RP2040 全体 ― SIO は2つのコアと GPIO の間に位置する Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 26

第4章 解空間

CHAPTER 04 原理から「手札（解空間）」を広げる 「動いた」で​​​立ち止まらず、​​​原理を​​​基点に​​​ 関連する​​​手札を​​​洗い出すエンジニアの​​​姿勢を​​​学ぶ これまでの原理 32個のスイッチが並んだレジスタの1ビットを操作 疑問・仮説 複数いっぺんに操作できるのでは？ 解空間の探索 SDKのドキュメントやAIで洗い出す 原理を知っていると、手札が増える

4.1 新しい手札の発見

4.1 新しい手札の発見 SDK ドキュメントを見ると、他にも関数が見つかる 使った gpio_put の他にも、さまざまな便利な関数がありそう 書くソフトウェアの目的により、最適なものがあるはず これが解空間を広げる、手札を増やすということ AI に調べさせるにしろ、この姿勢は自分が持つ必要がある SDK ドキュメントの関数一覧（抜粋）。gpio_put の周りに、まだ見ぬ関数が並ぶ。 SDK ドキュメントで見る（p.167〜） Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 28

4.2 新しい手札の評価

4.2 新しい手札の評価 チップのデータシートを見ると、結局何が行われるのか分かる SDKだけだと、ぼんやりと機能しか分からない 機能は分かるが、実際の動作はハードウェアのデータシートにある 解空間／手札の中で、最適なモノを探すには原理を知る必要がある 一番高速にピンを操作するにはどうすればいいか？ 高速に動かすために電気的に調整できるところはないか？ RP2040 データシートの GPIO 図。Drive Strength・Slew Rate など電気的な調整項目まで載っている。 RP2040 データシートで見る（p.241〜） Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 29

5. まとめ

まとめ ／ 今日たどった往復 gpio_put の1行の正体を、SDKソースとデータシートまで根拠付きで説明できるようになった ① マイコンの仕組み ✓ 数値の読み書きが全てと分かった ② コードの深追い ✓ Lチカで何のレジスタを書くか分かった ③ データシート ✓ レジスタからどう回路が動くか分かった ④ 手札を広げる これは宿題やキャンプで実践 4ステップを踏破 ― 「動かす」から「原理を知って選べる」へ

5.1 宿題

5.1 宿題：解空間を知り、AIに的確な指示を出す 完了条件は「AIコードを原理とデータシートで評価した、その判断と根拠」の提出 お題 ― これをそのままAIに投げる 「2台のラズピコを8本のGPIOで繋いで、片方から片方へデータを1byteずつ送受信するコードを pico-sdk で書いて」 手順1：そもそもどんな実装の選択肢があるか把握する 自分でデータシート・ドキュメントを見てもよいが、ここも AI と一緒に調べてよい。 手順2：その中で良さそうな選択肢を自分で選ぶ 宿題では明確に要求・制約を出していないので、選ぶ理由は自分なりに決めてよい（ただし説明できること）。 例：めっちゃ速くデータを送れる／コードが読みやすく分かりやすい … Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 31

5.2 次回予告

5.2 次回予告：Week 2 マイコンとセンサーをつなぐ方法を学ぶ Week 2：ハードウェア間通信プロトコル 今日の宿題が出発点 パラレル通信の課題を認識し、シリアル通信を学ぶ。 「通信プロトコル」の捉え方 規格ごとのルールだけではなく、情報伝達のための通信規格のレイヤーから理解する。 模擬衛星で使う通信規格 UART・SPI・I2C のコードを書けるようになる。 Week 1｜マイコンの基礎とLチカの深追い 32